Физика Вселенной за секунду: время как единственная константа

В этой статье мы разбираем революционную идею физиков: всю Вселенную можно описать единственной константой — временем. От спора 1992 года в CERN между Даффом, Окуном и Венециано до свежей работы Джорджа Матсаса в Nature Scientific Reports. Авторы доказывают, что в релятивистской модели достаточно секунд для измерения всего — от расстояний до масс. Мысленный эксперимент Билла Унру показывает, как часы заменяют линейки, вычисляя длину по формуле без скорости света. Это упрощает метрологию, делая константы вроде c и G лишь коэффициентами преобразования. Хотя в практике мы используем метры и килограммы, чистая наука позволяет обойтись атомными часами на цезии-133. Импликации для квантовой гравитации огромны: на планковских масштабах время может стать основой реальности. Статья опирается на зарубежные источники, включая arXiv и EurekAlert, для полного обзора 30-летней дискуссии. Идея вдохновляет на фундаментальное переосмысление физики, где секунда — ключ ко всему.

Фото из открытых источников

Представьте, что всю сложность Вселенной можно свести к тиканию часов. Физики предлагают радикальную идею — описать природу всего лишь одной константой: временем. Эта гипотеза, родившаяся в случайной беседе в кафе CERN в 1992 году, обретает новую жизнь в свежем исследовании, опубликованном в Nature Scientific Reports.

Физики считают, что всю природу можно описать всего лишь одной константой — временем. Эта смелая идея появилась благодаря дискуссии трех ученых — Майкла Дж. Даффа, Льва Б. Окуна и Габриэле Венециано — в кафе CERN в 1992 году. Спустя десятилетия исследователи вновь вернулись к этому вопросу и опубликовали новую работу, утверждая, что возможно вся физика Вселенной сводится к одному измерению — секундам. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Scientific Reports.

Идея возникла случайно: трое физиков поняли, что расходятся во мнениях относительно количества фундаментальных физических величин, необходимых для описания природы. Затем последовали публикации, в которых предлагались разные варианты решения проблемы: одни ученые считали, что достаточно трёх базовых единиц измерения (масса, длина и время), другие полагали, что хватит двух (длина и время), третьи же вовсе допускали отсутствие какой бы то ни было постоянной величины вообще.

Новый взгляд: от Ньютона к Эйнштейну

Недавно Джордж Матсас, ведущий автор нового исследования, предложил новый взгляд на проблему. Вместе с коллегами он попытался выяснить минимальное количество постоянных величин, необходимое для полного понимания физики пространства-времени. Они рассмотрели два типа пространственно-временных моделей: ньютоновскую и релятивистскую.

Оказалось, что даже в классической модели Ньютона, где пространство и время рассматриваются отдельно друг от друга, нужны всего два инструмента измерения — часы и линейки. Однако, как утверждают авторы исследования, в рамках теории относительности Эйнштейна пространство и время настолько тесно связаны, что одна единица способна заменить обе. Это значит, что теоретически можно обойтись исключительно секундами, измеряя всё остальное посредством высокоточных атомных часов.

В релятивистском пространстве-времени, таком как минковское, все наблюдаемые величины можно выразить только в единицах времени. "В галилеевом пространстве-времени вам нужны линейки и часы для измерения всех физических переменных, — объясняет Матсас. — В релятивистском пространстве-времени достаточно часов, поскольку пространство и время сплетены". Это упрощает сравнение измерений между лабораториями: космическая фабрика должна распространять лишь один стандарт — часы.

Мысленный эксперимент Билла Унру: расстояние без света

Для доказательства своей идеи учёные провели мысленный эксперимент канадского физика Билла Унру. Эксперимент показывает, что длину можно определить, исходя из временных измерений, без привязки к другим физическим величинам вроде скорости света. В протоколе Унру три часы перемещаются вдоль стержня: одно от начала к концу, второе обратно, третье фиксирует общее время. Длина D вычисляется по формуле D = [(τ₃² - τ₁² - τ₂²)² - 4τ₁² τ₂²]^{1/2} / (2τ₃), где τ — показания часов. Это работает только в релятивистской модели, подтверждая, что пространство "временноподобно".

Пример: масса электрона в системе MS (метр-секунда) равна 6.080 × 10^{-41} м³·с^{-2}, но в системе S (только секунды) преобразуется в чисто временные единицы, используя c = 1. Аналогично, постоянные вроде ħ и e выражаются как степени секунд (ħ^S = 2.9 × 10^{-87} с²).

Импликации для науки и метрологии

Новое исследование предполагает, что физическая природа Вселенной может быть сведена к единственной единице измерения — секунде, определяемой количеством периодов излучения атома цезия-133. Это согласуется с ревизией SI 2019 года, где константы фиксированы, но подчеркивает приоритет пространства-времени над историческими единицами.

Однако сами авторы признают, что пока мы продолжаем пользоваться такими привычными понятиями, как килограмм или метр, поскольку исторически сформировавшиеся стандарты удобны в повседневной практике, хотя с точки зрения чистой науки они совершенно необязательны. "Цель — найти наиболее фундаментальное описание физики", — подчеркивает Матсас. В квантовой гравитации, где идеальные часы невозможны на планковских масштабах (10^{-44} с), это может перевернуть понятия пространства-времени.

Дискуссия, начатая 30 лет назад, продолжается, вдохновляя на упрощение физики. Подробнее в arXiv-версии и EurekAlert.