Tidsvariation av fundamentala konstanter

Termen fysisk konstant uttrycker föreställningen om en fysisk storhet som är föremål för experimentell mätning som är oberoende av tidpunkten eller platsen för experimentet. Konstansen (oföränderligheten) för varje "fysisk konstant" är således föremål för experimentell verifiering.

Paul Dirac 1937 spekulerade i att fysiska konstanter som gravitationskonstanten eller finstrukturkonstanten kan vara föremål för förändring över tiden i förhållande till universums ålder . Experiment som genomförts sedan dess har satt övre gränser för deras tidsberoende. Det handlar specifikt om finstrukturkonstanten, gravitationskonstanten och proton-till-elektronmassförhållandet, för vilka det pågår ansträngningar för att förbättra tester av deras tidsberoende.

Dessa fundamentala konstanters oföränderlighet är en viktig hörnsten i fysikens lagar som för närvarande är kända; postulatet om fysiska lagars tidsoberoende är knutet till bevarandet av energi ( Noether-satsen ), så att upptäckten av vilken variation som helst skulle innebära upptäckten av en tidigare okänd kraftlag.

I ett mer filosofiskt sammanhang väcker slutsatsen att dessa storheter är konstanta frågan om varför de har det specifika värde de har i vad som verkar vara ett " finjusterat universum ", medan deras variabla skulle innebära att deras kända värden bara är en olycka vid den aktuella tidpunkten då vi råkar mäta dem.

Dimensionalitet

Det är problematiskt att diskutera den föreslagna förändringshastigheten (eller avsaknaden av sådan) för en endimensionell fysisk konstant isolerad. Anledningen till detta är att valet av ett system av enheter godtyckligt kan välja vilken fysisk konstant som helst som bas, vilket gör frågan om vilken konstant som genomgår förändring till en artefakt av valet av enheter.

Till exempel, i SI-enheter , har ljusets hastighet fått ett definierat värde 1983. Det var alltså meningsfullt att experimentellt mäta ljusets hastighet i SI-enheter före 1983, men det är inte så nu. Tester på oföränderligheten hos fysikaliska konstanter tittar på dimensionslösa storheter, dvs förhållanden mellan kvantiteter av liknande dimensioner, för att undvika detta problem. Förändringar i fysiska konstanter är inte meningsfulla om de resulterar i ett observationsmässigt omöjligt universum. Till exempel skulle en "ändring" i ljusets hastighet c vara meningslös om den åtföljs av en motsvarande "ändring" i den elementära laddningen e ^{så att förhållandet e2} : c ( finstrukturkonstanten ) förblev oförändrat.

Naturliga enheter är system av enheter helt baserade på fundamentala konstanter. I sådana system är det meningsfullt att mäta vilken specifik kvantitet som helst som inte används i definitionen av enheter. Till exempel, i Stoney-enheter sätts den elementära laddningen till e = 1 medan den reducerade Planck-konstanten är föremål för mätning, ħ ≈ 137,03 , och i Planck-enheter är den reducerade Planck-konstanten satt till ħ = 1 , medan den elementära laddningen är föremål för mätning, e ≈ (137,03) ^1/2 . 2019 års omdefiniering av SI-basenheter uttrycker alla SI-basenheter i termer av grundläggande fysiska konstanter, vilket effektivt omvandlar SI-systemet till ett system av naturliga enheter.

Finstruktur konstant

1999 tillkännagavs bevis för tidsvariabilitet för finstrukturkonstanten baserad på observation av kvasarer , men en mycket mer exakt studie baserad på CH-molekyler hittade ingen variation. En övre gräns på 10 ⁻¹⁷ per år för tidsvariationen, baserat på laboratoriemätningar, publicerades 2008. Observationer av en kvasar av universum som bara är 0,8 miljarder år gammal med AI-analysmetoden använd på Very Large Telescope (VLT) fann en rumslig variation som föredras framför en modell utan variation på nivån ${\displaystyle 3,9\sigma } .$

Tidsvariationen för finstrukturkonstanten är ekvivalent med tidsvariationen för en eller flera av: ljushastighet , Planck-konstant , vakuumpermittivitet och elementär laddning , eftersom $\alpha ={\frac {e^{2}}{2\epsilon _{0}ch}}$ .

Ljusets hastighet

Gravitationskonstant

Gravitationskonstanten $G$ är svår att mäta med precision, och motstridiga mätningar på 2000-talet har inspirerat de kontroversiella förslagen om en periodisk variation av dess värde i en tidning från 2015 . Men även om dess värde inte är känt med stor precision, tillåter möjligheten att observera supernovor av typ Ia som hände i universums avlägsna förflutna, tillsammans med antagandet att fysiken involverad i dessa händelser är universell, en övre gräns på mindre än 10 ⁻¹⁰ per år för $|{\dot {G}}/G|$ under de senaste nio miljarderna åren. Kvantiteten $|{\dot {G}}/G|$ är helt enkelt förändringen i tid för gravitationskonstanten, betecknad med ${\dot {G}}$ , dividerat med $G$ .

Som dimensionell storhet kommer värdet av gravitationskonstanten och dess möjliga variation att bero på valet av enheter; i Planck-enheter , till exempel, är dess värde fixerat till G = 1 per definition. Ett meningsfullt test på tidsvariationen av G skulle kräva jämförelse med en icke-gravitationskraft för att erhålla en dimensionslös kvantitet, t.ex. genom förhållandet mellan gravitationskraften och den elektrostatiska kraften mellan två elektroner, som i sin tur är relaterad till den dimensionslösa finan . -strukturkonstant .

Proton-till-elektron massförhållande

En övre gräns för förändringen av proton-till-elektronmassförhållandet har satts till 10–7 ^under en period av 7 miljarder år (eller 10–16 ^per år) i en studie från 2012 baserad på observation av metanol i fjärran galaxen.

Kosmologisk konstant

Den kosmologiska konstanten är ett mått på vakuumtäthetens energitäthet . Det uppmättes först, och visade sig ha ett positivt värde, på 1990-talet. Det är för närvarande (från och med 2015) uppskattat till 10 ^-122 i Planck-enheter . Möjliga variationer av den kosmologiska konstanten över tid eller rum är inte mottagliga för observation, men det har noterats att i Planck-enheter är dess uppmätta värde suggestivt nära det ömsesidiga för universums ålder i kvadrat, Λ ≈ T ⁻² . Barrow och Shaw föreslog en modifierad teori där Λ är ett fält som utvecklas på ett sådant sätt att dess värde förblir Λ ~ T ⁻² under hela universums historia.

Se även

Dirac stora siffror hypotes

Marciano, William J. (1984). "Tidsvariation av de grundläggande "konstanterna" och Kaluza-Klein-teorierna. Phys. Rev. Lett . 52 (7): 489–491. Bibcode : 1984PhRvL..52..489M . doi : 10.1103/physrevlett.52.489 .
Varshalovich, DA; Levshakov, SA (1993). "På ett tidsberoende av fysiska konstanter". Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz . 58 (4): 231–235. Bibcode : 1993JETPL..58..237V .
Dzuba, VA; Flambaum, VV; Webb, JK (1999). "Rymd-tidsvariation av fysiska konstanter och relativistiska korrigeringar i atomer". Phys. Rev. Lett . 82 (5): 888. arXiv : fysik/9802029 . Bibcode : 1999PhRvL..82..888D . doi : 10.1103/physrevlett.82.888 . S2CID 18462448 .
Dzuba, VA; Flambaum, VV; Webb, JK (1999). "Beräkningar av de relativistiska effekterna i många-elektronatomer och rum-tidsvariation av fundamentala konstanter". Phys. Rev. A. 59 (1): 230–237. arXiv : fysik/9808021 . Bibcode : 1999PhRvA..59..230D . doi : 10.1103/physreva.59.230 . S2CID 1427732 .
Davies, Paul C .; Davis, TM; Lineweaver, CH (2002). "Kosmologi: Svarta hål begränsar varierande konstanter". Naturen . 418 (6898): 602–3. Bibcode : 2002Natur.418..602D . doi : 10.1038/418602a . PMID 12167848 . S2CID 1400235 .
Dara Faroughy, "Långsamt utvecklande tidigt universum och en fenomenologisk modell för tidsberoende fundamentala konstanter och de leptoniska massorna" (2008), arXiv:0801.1935 .
Jean-Philippe Uzan, "Varying Constants, Gravitation and Cosmology" , Living Rev. Relativ., 14.2 (2011).
Chiba, Takeshi (2011). "The Constancy of the Constants of Nature: Updates". Framsteg inom teoretisk fysik . 126 (6): 993–1019. arXiv : 1111.0092 . Bibcode : 2011PThPh.126..993C . doi : 10.1143/ptp.126.993 . S2CID 59381699 .