Колко числа са необходими, за да се опише Вселената: нула, две или три?

През 1992 г. трима известни физици – Лев Окун, Габриеле Венециано и Майкъл Дъф – започват спор. Въпросът е прост: колко фундаментални числа или константи са необходими, за да се опише напълно физическата реалност? Окун твърди, че те са три. Венециано твърди, че са две. Дъф твърди, че са нула.

Този спор продължава и до днес и показва, че дори водещите учени нямат консенсус по самите основи на нашия свят. Нека разгледаме техните аргументи.

Позиция 1: необходими са три константи

За много физици от XX век отговорът изглежда очевиден. Съществуват три основни константи, които определят всичко наоколо.

Първото число е c – скоростта на светлината. Тя е универсалната граница, която свързва пространството и времето в една четириизмерна тъкан. Чрез формулата E=mc² тя свързва масата и енергията. Без „c“ цялата теория на относителността на Айнщайн не работи.

Второто число е h – константата на Планк. Тя определя най-малкото измерение, в което енергията може да съществува на отделни порции, или „кванти“.

Третото число е G – гравитационната константа. Тя определя силата на привличане и ни помага да моделираме космоса – от падащите предмети до движението на галактиките.

Според Окун тези числа са трите отделни основни принципа, върху които е изградена съвременната физика. Ако премахнем дори само едно от тях, ще загубим описанието на голяма част от Вселената. Заедно те създават „координатна система“ за всички физични теории.

Позиция 2: Необходими са две константи

Габриеле Венециано не е съгласен с този подход. Той е един от създателите на теорията на струните и гледа на проблема по различен начин, защото теорията на струните претендира да бъде „теорията на всичко“.

От тази гледна точка някои константи може да не са толкова основни. Те може да произтичат от по-дълбоки свойства на материята. Например в теорията на струните всички частици не са точки, а малки вибриращи струни. Тяхната маса е енергията на вибрациите им. Ако това е така, тогава понятията маса и заряд вече не са основни. Те стават следствие от геометрията и движението на струните.

Венециано смята, че само две числа са достатъчни, за да се опише подобно устройство: скоростта на светлината c и основната дължина на самата струна. Всичко останало, включително G и h, можело да се изведе от тях.

Позиция 3: няма никакви константи

Майкъл Дъф поставя въпроса по различен начин. Какви числа биха останали във физиката, ако се премахнат всички човешки уговорки?

Скоростта на светлината е 299 792 458 метра в секунда. Но какво е метър? Какво е секунда? Това са единици, които сме измислили, защото така ни е удобно. Природата не знае нищо за метрите и секундите. Ако измервахме разстоянието в стъпки, а времето – в удари на сърцето, цифровата стойност на „c“ щеше да е съвсем различна.

Според Дъф има константи на измеренията (c, h, G), които зависят от нашите единици. Има и безразмерни константи – числа, които не зависят от нищо. Пример за безразмерна константа е съотношението между масата на протона и масата на електрона. То е приблизително 1836. Това число ще бъде едно и също, независимо в какви единици измервате масата.

Въз основа на тази логика само безразмерните константи могат да се считат за истински основни. Какво тогава да кажем за c, h и G? Теоретичните физици често използват система от „естествени единици“, в която и трите константи са равни на единица. Те просто избират такива единици за време, дължина и маса, че тези величини да изчезнат от формулите.

Ако една константа може да бъде премахната, като просто се промени системата за измерване, дали тя е свойство на Вселената, или е свойство на нашия начин да я опишем? Стигаме до извода, че базовите константи на измеренията са нула.

Позицията на съвременните учени е, че е необходима една константа

Спорът можеше да бъде забравен, ако наскоро в него не се беше включила нова група учени, ръководена от Джордж Мацас. Техният отговор е: една.

Аргументът е изграден върху максимално опростяване. Най-основният процес, който можем да измерим, е протичането на времето. Да приемем, че имаме съвършен часовник. Можем ли да го използваме за измерване на всичко останало?

Можем. Теорията на относителността обвързва пространството и времето толкова тясно, че измервайки едното, определяме и другото. Гравитацията, от своя страна, обвързва геометрията на пространство-времето с масата. Като наблюдавате как даден обект се движи под въздействието на гравитацията и измервате времето, можете да определите масата му.

Така че всички физични величини могат да се сведат до измерване на времето. Така че, за да опишем Вселената, се нуждаем само от една основна константа – тази, която задава модела на времето, като например честотата на атомния часовник.

От друга страна, квантовата механика не допуска наличието на съвършен часовник. Принципът на неопределеността на Хайзенберг гласи, че колкото по-прецизно измервате времето, толкова повече енергия е необходима за това. В някакъв момент вашият свръхпрецизен часовник ще стане толкова енергийно плътен, че ще се срине в черна дупка.

И така, колко числа са необходими, за да се опише Вселената?

Самият спор може да бъде оценен от друг ъгъл. Основната причина за несъгласието е, че участниците имат различни разбирания за думата „основен“. За едните това са числата, необходими за функционирането на теориите. За друг това са числата, които съществуват и без хората. За трети това е минимумът за извършване на измерванията. Оказва се, че това е спор за дефиниции, а не за физика. Освен това подобни спорове може да се окажат преждевременни. Познанията ни за Вселената са непълни, а новите открития могат напълно да променят самия въпрос. Ето защо, въпреки че въпросът за числата е много дълбок, той не оказва влияние върху сегашните реалности.