В обучении тому, как устроена Вселенная, мы привыкли исходить из набора фундаментальных констант: скорость света, постоянная Планка, гравитационная постоянная и десятки других численных величин, которые невозможно вывести из теории и приходится измерять экспериментально. Однако новое исследование, опубликованное в Nature Scientific Reports, ставит под сомнение саму необходимость множества констант. Группа физиков утверждает: в релятивистской картине мира ключевой величиной, без которой невозможно обойтись, оказывается лишь одна — время.
История вопроса берёт начало в 1992 году в кафетерии ЦЕРНа, где физики Майкл Дж. Дафф, Лев Б. Окун и Габриэле Венециано неожиданно поняли, что не могут договориться о том, сколько констант требуется для описания природы. Их обсуждение позже вылилось в три статьи с тремя версиями: три константы, две константы или вообще ни одной. За этим стоял важный вопрос: что действительно является "фундаментальным", а что — лишь удобным инструментом измерений.
Сегодня Международная система единиц использует семь базовых единиц — секунды, метры, килограммы, амперы, кельвины, моли и канделы. Но означает ли это, что каждая из них необходима с точки зрения самой физики?
В своей работе команда под руководством Джорджа Матсаса попыталась определить минимально возможный набор констант для двух моделей пространства-времени — ньютоновской (галилеевой) и релятивистской (минковской).
В галилеевом пространстве-времени пространство и время независимы. Нужны минимум две величины: длина и время. Массу и другие параметры можно выразить через них.
В пространстве-времени Минковского ситуация иная: пространство и время настолько тесно переплетены, что их можно выводить друг из друга. По выводам авторов, достаточно одной единицы — времени.
Эти рассуждения стали логическим развитием идей специальной теории относительности и обсуждений, начатых ещё Окуном и коллегами.
"В галилеевом пространстве-времени для измерения всех физических величин нужны линейки и часы. Однако в релятивистском пространстве-времени часов достаточно", — пояснил Джордж Матсас.
Чтобы продемонстрировать, что длину можно вывести через время, физики описывают мысленный эксперимент, предложенный канадским исследователем Биллом Унру. Схема выглядит так:
Этот мысленный эксперимент показывает: если пространство и время зависят друг от друга, то все измерения можно выразить в терминах секунд — базовой единицы, определённой через переходы атома цезия-133.
| Пространство-время | Необходимые величины | Возможность вывести длину | Итог |
| Галилеево | Длина + время | Нет | Требуются минимум две константы |
| Минковское | Только время | Да | Достаточно одной единицы |
Сформулировали задачу: минимизировать число фундаментальных величин.
Рассмотрели две модели пространства-времени — классическую и релятивистскую.
Проверили, можно ли выразить физические величины через другие параметры.
Применили мысленный эксперимент Унру, чтобы показать выводимость длины через время.
Проверили согласованность модели с теорией относительности.
Проанализировали, какие физические параметры останутся независимыми.
Сформулировали вывод: единственная необходимая фундаментальная единица — секунда.
…в будущем все измерения действительно сведут к одной фундаментальной величине, а метр и килограмм исчезнут как понятия? Такие идеи уже обсуждаются в квантовой гравитации: если единицей станет время, то масса выразится через частоту, длина — через скорость распространения сигналов, а энергия — через частоту колебаний. Возможно, в далёкой перспективе это приведёт к созданию физики, где измерительные приборы сведутся к сверхточным атомным часам.
| Плюсы | Минусы |
| Упрощает фундаментальную картину природы | Требует пересмотра привычных методик измерений |
| Позволяет унифицировать физические теории | Многим задачам удобнее пользоваться отдельными единицами |
| Согласуется с релятивистской моделью | Не всегда применимо в классических приближениях |
Можно ли полностью отказаться от метра или килограмма?
Теоретически — да, но на практике эти единицы удобны и повсеместно используются.
Почему именно секунда, а не другая величина?
Потому что время в релятивистской физике является фундаментальной координатой, через которую можно описывать всё остальное.
Связано ли это с отказом от скорости света как константы?
Нет, c остаётся ключевым параметром, но его значение можно вывести через временные измерения.
Миф: физики хотят отменить константы.
Правда: речь идёт о фундаментальном описании, а не о практических единицах.
Миф: одна секунда может заменить собой всю физику.
Правда: это возможно только в релятивистских моделях.
Миф: новая работа противоречит теории относительности.
Правда: именно ОТО и СТО позволяют связать пространство и время.
1992: обсуждение Даффа, Окуна и Венециано в ЦЕРНе.
2002: публикация трёх статей с разными подходами к числу констант.
2020-е: новые модели и эксперименты с атомными часами.
Современная работа: попытка свести фундаментальные величины к одной — времени.