Сколько чисел нужно для описания Вселенной: ноль, два или три?

Сколько чисел нужно, чтобы описать Вселенную? (Спор, который длится 30 лет)

В 1992 году трое физиков – Лев Окунь, Габриэле Венециано и Майкл Дафф – застряли в споре. Вопрос казался простым: сколько фундаментальных констант необходимо для полного описания реальности? Ответы разлетелись: три, две, ноль. Прошло три десятилетия, а единого мнения нет. И это не абстрактная болтовня – за этим спором стоит вопрос: насколько глубоко мы понимаем саму природу? Давайте разберем каждую позицию без воды и с прикладными деталями.

Позиция «три»: классика, которая работает

Лев Окунь настаивал на тройке: скорость света c, постоянная Планка h и гравитационная постоянная G. Это столпы современной физики. Скорость света – предел, связывающий пространство и время, плюс знаменитое E=mc². Постоянная Планка – минимальный «квант» действия, без него нет квантовой механики. Гравитационная постоянная – масштаб силы тяжести, от падения яблока до движения галактик.

Звучит логично. Убери одну – и модель мира рухнет. Но не всё так однозначно. Окунь считал эти числа «базовыми» в том смысле, что они не выводятся из чего-то более простого. Однако физики-теоретики уже тогда чувствовали: может быть, c, h и G – просто удобные ярлыки, а не глубинные сущности.

Позиция «две»: струны и геометрия

Габриэле Венециано, один из отцов теории струн, смотрел иначе. Если всё в мире – вибрирующие струны, то масса и заряд – лишь следствия колебаний. Для описания такой картины достаточно двух констант: скорости света c и фундаментальной длины струны. А G и h можно получить из них.

Это не гадание. В теории струн гравитация и квантовые эффекты естественно объединяются, и постоянная Планка становится производной. Личное наблюдение: я заметил, что многие инженеры, далёкие от космологии, спокойно пользуются «естественными единицами», где c=h=1, и не видят проблемы. Но для практических расчётов в лаборатории такой подход неудобен – там нужны МКС (метры, килограммы, секунды).

Позиция «ноль»: всё – иллюзия измерений

Майкл Дафф задал радикальный вопрос: какие числа останутся, если убрать человеческие договорённости? Скорость света 299 792 458 м/с – но что такое метр и секунда? Если бы мы измеряли расстояние в шагах, число было бы другим. Есть размерные константы (зависят от единиц) и безразмерные (например, отношение массы протона к массе электрона ≈ 1836 – оно одинаково в любых единицах).

Дафф утверждал: настоящие фундаментальные константы – только безразмерные. А c, h, G можно сделать равными единице, просто выбрав естественную систему единиц. Если константу можно убрать переопределением мерок – является ли она свойством Вселенной или свойством нашего языка? Ответ Даффа: базовых размерных констант – ноль.

«Если константу можно убрать, просто изменив систему измерений, является ли она свойством Вселенной или свойством нашего способа её описывать?»

Современный ответ: одна константа (и то не факт)

Недавно группа под руководством Джорджа Матсаса предложила компромисс: достаточно одной константы – эталона времени. Рассуждение простое: если у нас есть идеальные атомные часы, мы можем измерить всё. Теория относительности связывает время с пространством, гравитация – с массой. Наблюдая движение тела в гравитационном поле и засекая время, мы узнаём массу. Все физические величины сводятся к измерению времени.

Но тут вклинивается квантовая механика. Принцип неопределённости Гейзенберга: чем точнее мерим время, тем больше энергии нужно. В какой-то момент часы станут настолько энергетически плотными, что сколлапсируют в чёрную дыру. Идеальных часов не существует. Так что спор не закрыт.

Сравнение позиций: таблица

Микро-инструкция: как не запутаться в константах

Если вы работаете с физическими расчётами (например, в материаловедении или электронике), вот простой совет. Всегда различайте размерные и безразмерные величины. Размерные (c, h, G) зависят от системы единиц – их можно масштабировать. Безразмерные (постоянная тонкой структуры, массовые отношения) – это чистые числа, которые не меняются при смене метра на фут. Для фундаментальных выводов опирайтесь на безразмерные – они глубже. А для повседневных экспериментов берите привычные МКС и не мучайтесь.

Резюме от автора

Спор о константах – это на самом деле спор о том, что считать «базовым». Один видит в числах инструмент, другой – сущность, третий – условность. Пока у нас нет единой теории всего, ответ остаётся делом вкуса. Практический вывод: не зацикливайтесь на количестве констант – важнее, как вы их применяете. А лучший способ проверить любую теорию – построить прибор, который сломается, если константа не та. До сих пор все приборы работают. Значит, пока мы хотя бы примерно правы.