Одна секунда чтобы править всеми: как время может заменить все фундаментальные константы

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.

Почему возник спор о числе фундаментальных констант

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?

Что предложили авторы нового исследования

В своей работе команда под руководством Джорджа Матсаса попыталась определить минимально возможный набор констант для двух моделей пространства-времени — ньютоновской (галилеевой) и релятивистской (минковской).

1. В галилеевом пространстве-времени пространство и время независимы. Нужны минимум две величины: длина и время. Массу и другие параметры можно выразить через них.

2. 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.

Как работает "эксперимент с часами", позволяющий отказаться от линейки

Чтобы продемонстрировать, что длину можно вывести через время, физики описывают мысленный эксперимент, предложенный канадским исследователем Биллом Унру. Схема выглядит так:

• на концах стержня размещают двух наблюдателей;
• у первого — два синхронизированных часа, у второго — одни;
• часы отправляют вдоль стержня туда и обратно;
• из-за релятивистских эффектов скорость и путь отражаются в показаниях часов;
• используя данные о времени, наблюдатели вычисляют длину без отдельных констант вроде скорости света.

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.

Таблица "Сравнение"

Как ученые дошли до вывода: пошаговый подход

1. Сформулировали задачу: минимизировать число фундаментальных величин.

2. Рассмотрели две модели пространства-времени — классическую и релятивистскую.

3. Проверили, можно ли выразить физические величины через другие параметры.

4. Применили мысленный эксперимент Унру, чтобы показать выводимость длины через время.

5. Проверили согласованность модели с теорией относительности.

6. Проанализировали, какие физические параметры останутся независимыми.

7. Сформулировали вывод: единственная необходимая фундаментальная единица — секунда.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: считать, что число констант фиксировано и задано раз и навсегда.
  Последствие: ограничение теоретических моделей и неправильные выводы о фундаментальности величин.
  Альтернатива: рассматривать разные системы измерений и проверять, какие величины можно вывести из других.
• Ошибка: смешивать удобство использования и фундаментальность.
  Последствие: принятие за основу величин, которые нужны только для практических расчётов.
  Альтернатива: разделять операциональные единицы (метры, килограммы) и фундаментальные (например, время).
• Ошибка: игнорировать релятивистские эффекты при определении длин и расстояний.
  Последствие: неверные физические выводы в высокоскоростных системах.
  Альтернатива: применять методы, позволяющие выводить расстояние через показания часов.

А что если…

…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.

Таблица "Плюсы и минусы"

FAQ

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.

Мифы и правда

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.

Три интересных факта

• В СИ секунда определяется через атомные переходы, а не через движение Земли, как раньше.
• Во многих теориях квантовой гравитации длина и масса — производные величины.
• Идея минимизации констант активно обсуждается уже более 30 лет.

Исторический контекст

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.