Evrendeki her şeyi açıklamak için kaç temel sabit gereklidir?
Var olabilecek her türden evreni hayal edebiliriz, ancak onları bilinen fizik yasalarına göre tanımlasak bile, evrenimizin tam olarak nasıl davrandığını ve geliştiğini belirlemek için bazı temel sabitlere ihtiyacımız var. Bildiğimiz gibi, gerçekliği tanımlamak için epeyce temel sabite ihtiyaç vardır, ancak çoğu insan bir gün daha eksiksiz bir teorinin gereken sabit sayısını azaltacağını umar.
Evrenimiz temelde parçacıklardan, kuvvetlerden, etkileşimlerden ve uzay ve zamanın yapısından oluşur. Zaman ve uzay gelişen bir aşamayı oluşturur.Bu aşamada evren oyunu ortaya çıkar ve parçacıklar katılımcıdır. Doğa kanunlarını yöneten kurallara göre bir araya gelebilir, çarpışabilir, yok edebilir, itebilir, çekebilir veya başka şekillerde etkileşime girebilirler. Bu bilgi, uzun zaman önce evrenimizde var olan başlangıç koşullarıyla birlikte, evrenin bugün olduğu gibi nasıl olduğunu anlamak için ihtiyacımız olan hemen hemen her şeyi sağlıyor.
Tüm etkileşimlerin gücünü ve tüm parçacıkların fiziksel özelliklerini tanımlayan temel sabitler. Evreni nicel olarak anlamak ve "ne kadar" sorusuna cevap vermek için bu bilgiye ihtiyacımız var. Bize bilinen evreni vermek için 26 temel sabit gerekir ve onlarla bile bize her şeyi veremezler.
Evrendeki geri kalan temel parçacık kütleleri, ne zaman ve hangi koşullar altında yaratılabileceklerini belirler. Bir parçacığın kütlesi ne kadar büyükse, erken evrende kendiliğinden ortaya çıkması o kadar kısa sürer. Parçacıkların, alanların ve uzay-zamanın özelliklerinin tümü, içinde yaşadığımız evreni tanımlamak için gereklidir.
Herhangi bir parçacığı ve başka bir parçacıkla nasıl etkileşime girdiğini düşünün. Örneğin, bir elektron başka bir elektronla etkileşime girebilir. Kendisiyle ilişkili temel bir yükü ve temel bir kütlesi vardır. Elektronlar arasındaki yerçekimi çekimi, G yerçekiminin kuvveti ile orantılıdır ve birbirini elektromanyetik olarak iter ve boş alanın dielektrik sabiti 0 ile ters orantılıdır. Bu parçacıkların davranışında önemli bir rol oynayan ışık hızı c ve kuantum geçişleriyle ilgili temel sabit gibi başka sabitler de vardır: Planck sabiti.
Ancak fizikçiler, evreni tanımlarken bu sabitleri kullanmayı sevmezler, çünkü bu sabitlerin keyfi boyutları ve birimleri vardır.
Metre, kilogram veya saniye gibi birimler için doğasında bir önemi yoktur. Aslında, evren hakkında bilmek istediğimiz her şeyi inşa etmek için temel "kütle", "zaman" veya "mesafe" birimlerini tanımlamamıza gerek yok. Doğa kanunlarını tanımlamak için boyutsuz sabitler kullanabiliriz.
Boyutsuz basit bir kavramdır: bir sabiti ifade eder, yalnızca metre, kilogram, saniye veya diğer "boyutlar" olmadan saf bir sayıdır. Evreni tanımlamak ve temel yasaları ve başlangıç koşullarını elde etmek için bu yolu kullanırsak, doğal olarak hayal edebileceğimiz tüm ölçülebilir özelliklere sahip olacağız. Bu, parçacıkların kütlesini, etkileşimin gücünü, evrenin hız sınırını ve hatta uzay-zamanın temel özelliklerini içerir.
Evrende bilinen tüm parçacıkların özellikleri bize nasıl etkileşeceklerini söyler ve temelde yatan uzay-zaman bu etkileşimlerin meydana geldiği aşamaları tanımlar.
Evreni olabildiğince basit ve eksiksiz bir şekilde tanımlamak istiyorsak, oraya ulaşmak için 26 boyutsuz sabite ihtiyacımız var. Bu oldukça küçük bir sayıdır, ancak istediğimiz kadar küçük olması gerekmez. İdeal bir dünyada, en azından çoğu fizikçinin bakış açısından, bu sabitlerin fiziksel anlamı olan bir yerden üretildiğini düşünmeyi tercih ederiz, ancak mevcut teoriler bunları tahmin etmez.
Parçacık-parçacık etkileşimlerinin tüm olası geçmişlerinin bir özetini gerektiren elektron-elektron saçılmasının Feynman diyagramı. Pozitron, zamanda geriye doğru hareket eden bir elektrondur Bu görüş, Feynman ve Wheeler arasındaki işbirliğinden kaynaklanmaktadır, ancak saçılma etkileşiminin yoğunluğu enerjiyle ilgilidir ve elektromanyetik etkileşimi tanımlayan ince yapı sabiti tarafından kontrol edilir.
Bize evren hakkında bilgi veren bu 26 sabit.
1) İnce yapı sabiti veya elektromanyetik etkileşimin gücü. Daha aşina olduğumuz bazı fiziksel sabitler açısından, bu, temel yükün karesinin (elektron gibi) Planck sabitine ve ışık hızına oranıdır. Ama bu sabitleri bir araya getirirseniz, boyutsuz bir sayı elde edersiniz! Şu anda evrenimizde enerji mevcut olduğu sürece, bu sayı -1 / 137.036'dır, ancak bu etkileşimin gücü, etkileşen parçacıkların enerjisi ile artar.
2) Proton ve nötronları birbirine bağlayan kuvvetin gücünü tanımlayan kuvvetli eşleşme sabiti. Kuvvetin etki şekli elektromanyetik kuvvet veya yerçekiminden çok farklı olsa da, bu etkileşimin gücü yine de tek bir bağlantı sabiti ile parametrelendirilebilir. Evrenimizin bu sabiti, elektromanyetik sabit gibi, enerji ile değişir.
Standart modeldeki parçacıklar ve antiparçacıklar artık doğrudan tespit edildi ve son engellenen Higgs Bozonu (Higgs Bozonu), bu yüzyılın başlarında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda keşfedildi. Tüm bu parçacıklar Hadron Çarpıştırıcısının enerjisi altında üretilebilir.Bu parçacıkların kütlesi, bunların tam bir tanımlaması için kesinlikle gerekli olan temel sabitlere yol açar.
3-17) Altı kuark, altı lepton ve üç büyük bozondan oluşan kütleler. Bu biraz hayal kırıklığı yaratıyor. Standart Modelde, tümü büyük bir dinlenme kütlesine sahip olan 15 parçacığımız var: 6 kuark, 6 lepton, W bozonu, Z bozonu ve Higgs bozonu. Antiparçacıklarının hepsi aynı durağan kütlelere sahip olsa da, bu kütleleri daha az parametreyle üreten bir ilişki, mod veya daha temel teori olacağını umuyoruz.
Görüntünün merkezindeki V şeklindeki yörünge, bir müonun bir elektron ve iki nötrinoya bozunmasından gelir. Yüksek enerjili yörüngede, ortadaki hava parçacıklarının çürümesinin kanıtı olan bir bükülme var. Spesifik ve ayarlanabilir enerji üzerinde pozitron ve elektronların çarpışması sayesinde, istendiği zaman muon-anton çiftleri oluşturulabilir. Yüksek enerjili pozitronların sabit elektronlarla çarpışarak müon / anton çiftleri oluşturması için gereken enerji, elektron / pozitron çarpışmalarının Z bozonları oluşturması için gereken enerji ile hemen hemen aynıdır.
Çıkarılabilecek bazı garip, neredeyse mükemmel ilişkiler olabilir: 45GeV'deki pozitron 45GeV'deki elektronla çarpıştığında, Z bozonunu yapmak için uygun enerjiye sahip olursunuz; 45GeV'deki pozitron durağan elektronla çarpıştığında, uygun olana sahip olursunuz. Müon / anti-müon çiftleri oluşturmak için enerji. Ne yazık ki, bu ilişki yaklaşıktır ve kesin değildir.Z bozonunu üretmek için gereken enerji 46 GeV'ye ve bir müon / anti-müon çifti üretmek için gereken enerji 44 GeV'e daha yakındır. Parçacıklarımızın kütlesini tanımlayacak gerçek bir teori varsa, henüz onu keşfetmiş değiliz.
Bu nedenle, bilinen kütleyi tanımlamak için on beş sabite ihtiyaç vardır. Tek iyi haber, kendimizi başka bir değişmeden kurtarabileceğimizdir. Bu kütle parametrelerini yerçekimi sabiti G'ye göre ölçeklendirerek, yerçekiminin gücünü ayrı ayrı tanımlamaya gerek kalmadan 15 boyutsuz parametre elde ederiz.
Bir protonun üç değerlikli kuarkı, gluonlar, deniz kuarkları ve antikuarklar ve yörüngesel açısal momentum gibi onun dönüşüne katkıda bulunur. Elektrostatik itme ve güçlü nükleer kuvvetin çekici kuvveti birlikte protonun boyutunu belirler.Kuark karışımının doğası, evrendeki serbest parçacıkların ve kompozit parçacıkların toplanmasını açıklamak için gereklidir.
18-21) Kuark karıştırma parametreleri. Altı farklı tür kuarkımız var, çünkü üç kuarkın iki alt kümesi var ve hepsi aynı kuantum numarasına sahip, böylece birbirleriyle karıştırılabilirler. Daha önce zayıf nükleer güç, radyoaktif bozulma veya CP yıkımı duyduysanız, bu dört parametre tüm bu parametreler ölçülmeli (ve yapılmış) ve hepsinin açıklanması gerekir.
22-25) Nötrino karıştırma parametreleri. Kuark sektörüne benzer şekilde, nötrinoların birbirleriyle nasıl karıştığını ayrıntılı olarak açıklayan dört parametre vardır, çünkü üç nötrino türü de aynı kuantum numarasına sahiptir. Fizikçiler başlangıçta nötrinoların kütlesiz olacağını ve ek sabitler gerektirmeyeceğini umsalar da, doğanın başka planları var. Güneş nötrinoları sorunu - güneş tarafından yayılan nötrinoların yalnızca üçte biri dünyaya ulaşır - 20. yüzyılın en büyük sorunlarından biridir.
Nötrinoların mutlak kütlesini ölçmedik, ancak güneş nötrinolarının kütleleri ile atmosferik nötrinoların kütleleri arasındaki farkı söyleyebiliriz. Yaklaşık 0.01 eV'lik bir kütle ölçeği bu veriler için en uygun gibi görünüyor ve nötrinoların özelliklerini anlamak için toplam dört parametre gerekiyor.
Ancak nötrinoların:
· Çok küçük fakat sıfır olmayan bir kaliteye sahip,
·Birlikte karıştır.
· Bir türden diğerine salınım yapın.
Kuark karışımı, üç açı ve bir CP yıkım kompleksi ile tanımlanır ve nötrino karışımı da aynı şekilde tanımlanır. Kuarkların dört parametresinin tümü belirlenmiş olmasına rağmen, nötrinoların CP yıkım aşaması henüz ölçülmemiştir.
Evrenin farklı olası kaderleri, en sağda evrenin gerçek, hızlandırılmış kaderini gösterir. Yeterince uzun bir süre geçtikten sonra ivme, evrendeki her bağlı galaksi veya süper galaksi yapısını tamamen izole edecek, çünkü diğer tüm yapılar geri dönüşü olmayan bir şekilde uzaklaşacak. Karanlık enerjinin varlığını ve doğasını ancak geçmişten çıkarabiliriz, bu en azından bir sabit gerektirir, ancak gelecek üzerinde daha büyük bir etkisi vardır.
26) Kozmolojik sabit. Karanlık enerjinin etkisiyle evrenin genişlemesinin hızlandığını duymuş olabilirsiniz.Bu, bu ivmenin büyüklüğünü açıklamak için başka bir parametre gerektirir - bir kozmolojik sabit. Karanlık enerji sabitten daha karmaşık olabilir Bu durumda daha fazla parametre gerektirebilir, bu nedenle sayısı 26'dan büyük olabilir.
Bir fizikçiye fizik yasalarını, evrenin ilk koşullarını ve bu 26 sabiti verirseniz, tüm evrenin herhangi bir yönünü başarıyla simüle edebilirler. Aldığınız sonuçların bugünkü evrenimizden en küçük atom altı ölçekten en büyük kozmik ölçeğe kadar neredeyse ayırt edilemez göründüğünü belirtmekte fayda var.
Tamam, neredeyse bitti.
Öyle olsa bile, çözülmesi için ek sabitler gerektirebilecek dört bulmaca var. Onlar:
1) Madde-antimadde asimetrisi. Tüm gözlemlenebilir evren esas olarak antimaddeden ziyade maddeden oluşur, ancak durumun neden böyle olduğunu tam olarak anlamıyoruz ve evrenimizin neden sahip olduğu madde miktarına sahip olduğunu tam olarak anlamıyoruz. Bu soruna baryon üretim süreci denir ve teorik fizikteki çözülmemiş en önemli sorunlardan biridir ve çözümünü tanımlamak için bir (veya daha fazla) yeni temel sabit gerekebilir.
2) Evren genişlemesi sorunu. Bu, evrenin bir aşamasıdır.Büyük Patlama'dan önce ve kuruluşunda birçok yeni tahmin yapılmıştır.Bu tahminler gözlemlerde doğrulanmıştır, ancak bu tanıma dahil edilmemiştir. Bunun ne olduğunu daha iyi anladığımızda, bu sabitler kümesine ek parametreler eklememiz gerekebilir.
3) Karanlık madde sorunu. Neredeyse kesinlikle en az bir (belki daha fazla) yeni tip büyük parçacıktan oluştuğu düşünüldüğünde, daha fazla yeni parametre eklemek için nedenler vardır. Karanlık maddenin karmaşıklığı, gereken sabitlerin gerçek sayısını belirleyecektir, ancak en az bir yeni sabitin ve muhtemelen daha da fazla sabitin gerekli olduğu kesindir.
4) Güçlü CP yıkımı sorunu. Zayıf nükleer etkileşimlerde CP yıkımı görüyoruz ve bunu nötrino kısmında bekliyoruz, ancak yasak olmasa da güçlü etkileşimlerde CP yıkımı bulamadık. Varsa, daha fazla parametre olmalıdır; yoksa, muhtemelen onu kısıtlayan işlemle ilgili ek bir parametre vardır.
Evrenin genişlemesi sırasında, evrendeki doğal kuantum dalgalanmaları, kozmik mikrodalga arka plan altında yoğunluk dalgalanmalarına neden oldu ve bu da bugün evrendeki yıldızlara, galaksilere ve diğer büyük ölçekli yapılara yol açtı. Bu, tüm evrenin davranışına ilişkin en iyi anlayışımızdır, ancak iyi ölçülmüş bir evrenin gerektirdiği 26 sabitten bile daha fazla sabit gerektirir.
Evrenimiz karmaşık ve büyülü bir yerdir, ancak birleşik bir teori için en iyi umudumuz - her şeyin teorisi - ihtiyacımız olan temel sabitlerin sayısını azaltmaya çalışır. Ancak gerçekte, evren hakkında ne kadar çok şey bilirsek, o kadar çok parametre öğreniriz ve evreni tam olarak tanımlamak için daha fazla parametreye ihtiyacımız vardır. Bugün nerede olduğumuzu ve bildiğimiz her şeyi tarif etmek için neye ihtiyacımız olduğunu anlamak önemlidir.
Ancak yine de her şeyi bilmiyoruz, bu nedenle daha eksiksiz bir örnek bulmaya devam etmek önemlidir. Başarılı olursak, mevcut çözümlerimiz de dahil olmak üzere evrenin sahip olduğu her şeyi bize verecektir.
