Физики утверждают, что для измерения всего мира достаточно одной единственной константы — секунды.

В 2002 году исследователи из ЦЕРН (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям, занимающаяся вопросами фундаментальной физики) осознали, что у них нет единого мнения о необходимом минимуме констант для описания всей наблюдаемой Вселенной. Это стало неожиданностью: специалисты высокого уровня использовали сложные и точные приборы для изучения одной и той же реальности, но не могли согласовать, какие величины на самом деле необходимы.

«Фундаментальные константы» — это величины, численные значения которых не зависят от внешних условий и остаются неизменными со временем. Обладая определенным набором констант, можно вычислить все остальные величины.

Ученые из ЦЕРН Майкл Дафф, Лев Окунь и Габриель Венециано (Michael Duff, Lev Okun and Gabriele Veneziano) представили свои взгляды в статье, где каждый изложил свою собственную парадигму. Первая требует три константы: метр, килограмм и секунду. Вторая парадигма нуждается только в секунде и метре, а в третьей количество констант может изменяться в зависимости от рассматриваемой теории.

В настоящее время бразильские исследователи утверждают, что количество фундаментальных констант зависит от пространства-времени, в котором рассматриваются физические величины. Они полагают, что могут описать все возможные наблюдения реальности, используя лишь одну единицу времени — секунду.

В текущей версии Международной системы единиц (СИ) имеется семь основных единиц: метр (длина), секунда (время), килограмм (масса), кельвин (температура), ампер (электрический ток), кандела (световая сила) и моль (количество молекул или атомов). Каждая из них определяется через физическую константу.

«Эти единицы являются основными только с практической точки зрения. Например, если человеку нужно приобрести лампочку, количество кандел покажет, насколько ярким будет ее свет. При этом некоторые единицы могут быть определены через другие», — отметил профессор теоретической физики Джордж Матсас (George Matsas).

Цель новой статьи заключается в том, чтобы найти максимально фундаментальное описание физики и понять, какое минимальное количество констант необходимо для измерения всех величин.

Согласно критериям, предложенным Даффом, Окунем и Венециано, количество фундаментальных констант связано с минимальным количеством независимых стандартов, необходимых для выражения всех физических величин. Исследователи проанализировали два типа пространства-времени: галилеево, которое лежит в основе классической механики, и релятивистское — базу для Общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

В галилеевом пространстве-времени все наблюдаемые величины могут быть выражены через единицы времени и пространства, обычно это «секунда» и «метр».

Однако в релятивистском пространстве-времени достаточно лишь часов, то есть «секунд». В теории относительности пространство и время настолько взаимосвязаны, что для описания всех величин достаточно одной единицы. Высокоточные атомные часы, используемые в настоящее время, способны удовлетворить все потребности в измерениях.

Определение «секунды» сегодня основано на природной константе — разнице энергии между двумя специфическими уровнями электронного слоя атома цезия-133. Одна секунда (1 с) — это время 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями энергии основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при температуре 0 K.

Существует несколько релятивистских пространств-времен, соответствующих различным решениям уравнений Эйнштейна. Самое простое из них — пространство-время Минковского, которое является пустым (без частиц или других объектов), однородным (все точки обладают одинаковыми свойствами) и изотропным (все направления в пространстве эквивалентны). Именно на его примере исследователи изложили свой подход. Авторы отметили, что их выводы могут быть обобщены на любое релятивистское пространство-время. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.