La nivel fundamental, universul nostru este alcătuit din spațiu-timp, particule, forțe și din interacțiunile dintre acestea. Spațiu-timpul alcătuiește terenul de joc al cosmosului iar particulele sunt jucătorii. Particulele se pot lega, ciocni, anihila, respinge, atrage sau pot interacționa în conformitate cu legile fizicii.
Ce lipsește din alcătuirea universului din ce am enumerat mai sus? Lipsesc constantele fundamentale care descriu forțele tuturor interacțiunilor și proprietățile fizice ale tuturor particulelor. Sunt necesare 26 de constante fundamentale pentru a alcătui universul nostru cunoscut, dar chiar și cu acestea, imaginea nu este completă.
Gândiți-vă la orice particulă și cum ar putea interacționa cu alta. Un electron, de exemplu, ar putea interacționa cu un alt electron. Are o sarcină fundamentală asociată cu ea, qe, și o masă fundamentală me. Electronii se vor atrage reciproc gravitațional, proporțional cu forța gravitațională G și se vor respinge unul pe celălalt electromagnetic, invers proporțional cu puterea permitivității spațiului liber, ε0.
Există și alte constante care joacă un rol major în modul în care se comportă aceste particule, cum ar fi viteza luminii, c, și constanta asociată tranzițiilor cuantice: constanta lui Planck, ħ.
Dar fizicienilor nu le place să folosească aceste constante (c, ħ) atunci când descriu universul, deoarece aceste constante au dimensiuni și unități arbitrare pentru ele. De exemplu, nu trebuie sa folosim neapărat metrul pentru măsurarea lungimii, kilogramul pentru greutate sau secundă pentru timp. Am putea lucra folosind orice unitate de măsura iar legile fizicii s-ar comporta exact la fel. De fapt, putem să explicăm universul fără a defini o unitate fundamentală precum „masă”, „timp” sau „distanță”. Am putea descrie legile naturii în întregime, folosind doar constante care nu sunt dimensionate.
Acest concept este unul simplu: înseamnă că o constantă este doar un număr pur, fără metri, kilograme sau alte „dimensiuni”. Dacă mergem pe această cale ar trebui să reiasă în mod natural toate proprietățile măsurabile pe care ni le putem imagina. Acestea includ lucruri precum masa particulelor, puterea de interacțiune, limitele de viteză cosmică și chiar proprietățile fundamentale ale spațiu-timpului.
Dacă vrem să descriem universul cât mai simplu și mai complet posibil, este nevoie de 26 de constante adimensionale. Acesta este un număr destul de mic, dar nu neapărat așa de mic cum ne-ar plăcea. Într-o lume ideală, cel puțin din punctul de vedere al majorității fizicienilor, am vrea să credem că aceste constante apar de undeva din punct de vedere fizic, dar nicio teorie actuală nu le prezice.
Cu astea fiind spuse, iată cele 26 de constante care ne dau universul așa cum îl știm.
1 – Constanta structurii fine
Constanta structurii fine sau puterea interacțiunii electromagnetice este un raport al sarcinii elementare (de exemplu, un electron) a cărei expresie este:
Dacă punem aceste constante împreună, vom obține un număr adimensional. La energiile prezente în universul nostru, acest număr este 1 / 137,035999070, deși puterea acestei interacțiuni crește odată cu creșterea energiei particulelor ce interacționează.
2 – Constanta de cuplare puternică
Această constantă definește forța care ține împreună protonii și neutronii. Deși modul în care funcționează interacțiunea tare este foarte diferită de forța sau gravitația electromagnetică, puterea acestei interacțiuni poate fi parametrizată de o singură constantă de cuplare. Această constantă își schimbă puterea odată cu energia.
Toate quarcurile și gluonii interacționează prin intermediul forței tari, aceasta fiind caracterizată de această constantă.
3 – 17 – Masa celor șase quarcuri, șase leptoni și trei bosoni masivi
Aceste 15 constante sunt puțin dezamăgitoare. Avem 15 particule în modelul standard: 6 quarcuri, 6 leptoni, W, Z și bosonul Higgs, toate având o masă de repaus substanțială. Deși este adevărat că antiparticulele lor au toate masa de repaus identică, speram să fi existat o relație, un model sau o teorie mai fundamentală care a dat naștere acestor mase, folosind mai puțini parametri.
S-ar putea să existe totuși, întrucât pot fi derivate unele relații stranii: dacă ciocnim un pozitron la 45 GeV cu un electron la 45 GeV, avem energia potrivită pentru a face un boson Z. Dacă ciocnim un pozitron la 45 GeV cu un electron în stare de repaus, avem energia necesară pentru a obține o pereche de muon / anti-muon. Din păcate, această relație este aproximativă și nu exactă. Energia pentru a crea un boson Z este mai aproape de 46 GeV iar energia pentru a obține o pereche de muoni / anti-muoni este mai aproape de 44 GeV. Dacă există o teorie subiacentă care descrie masele particulelor, aceasta trebuie descoperită.
Ca urmare, este nevoie de 15 constante pentru a descrie masele cunoscute. Vestea bună este că putem scăpa de o altă constantă. Prin scalarea acestor parametri de masă relativ cu constanta forței gravitaționale G, putem rămâne cu 15 parametri adimensionali fără a fi nevoie de un descriptor separat al forței gravitaționale.
18 – 21 Constantele quarcurilor – Matricea Cabibbo–Kobayashi–Maskawa
Avem 6 tipuri diferite de quarcuri deoarece există doua subseturi de 3 care au toate aceleași numere cuantice unul cu celălalt și se pot „amesteca” împreună. Dacă ați auzit despre forța nucleară slabă, dezintegrarea radioactivă sau încălcarea simetriei CP, toate aceste 4 constante sunt necesare pentru a le descrie.
22 – 25 Constantele neutrinilor
Similar constantelor pentru quarcuri, există 4 constante ce detaliază modul în care neutrinii se combină cu alți neutrini, dat fiind că cele 3 tipuri de specii de neutrino au același număr cuantic. Deși fizicienii sperau că neutrinii sunt fără masă și nu necesită alte constante adiționale, natura a avut altceva de spus. Problema neutrinilor proveniți de la Soare – unde doar o treime din neutrinii emiși ajungeau pe Pământ – a fost unul dintre cele mai mari enigme ale secolului 20.
Enigma a fost rezolvată când am realizat că neutrinii au totuși masă (deși foarte mică), se pot combina și pot oscila dintr-un tip în altul.
26 – Constanta cosmologică
S-ar putea să fi auzit că expansiunea universului accelerează datorită energiei întunecate, iar acest lucru necesită încă un parametru – o constantă cosmologică – pentru a descrie valoarea acestei accelerații. Energia întunecată ar putea deveni mai complexă decât o constantă, caz în care ar putea avea nevoie de mai mulți parametri, de aceea numărul de constante necesar pentru a descrie universul poate fi mai mare de 26.
Doar 26?
Dacă am da unui fizician legile fizicii, condițiile inițiale ale universului și aceste 26 de constante, el poate simula cu succes orice aspect al întregului univers. Și destul de remarcabil, ceea ce va ieși nu va fi diferit de universul pe care-l avem astăzi, de la microcosmos până la macrocosmos. Sau… pe aproape. Chiar și cu aceste constante există încă cel puțin 4 probleme care ar putea necesita alte constante pentru rezolvare.
Prima problema este cea a asimetriei dintre materie și antimaterie. Întregul univers observabil este format din materie și nu din antimaterie, dar nu înțelegem de ce este așa. Această problemă, cunoscută sub numele de bariogeneză, este una dintre marile probleme nerezolvate în fizica teoretică și poate necesita una (sau mai multe) noi constante fundamentale pentru a descrie soluția sa.
A doua problemă este cea a inflației cosmice. Aceasta este faza care a precedat Big Bang-ul și a fost verificată observațional. Este foarte probabil să apară și de aici alte constante.
Problema materiei întunecate cu siguranță va adăuga și mai multe constante. Având în vedere că aproape sigur există cel puțin un nou tip de particule masive, complexitatea materiei întunecate va determina numărul real de constante necesare.
Ultima problemă, cea a încălcării simetriei CP va necesita constante adiționale. Interacțiunea slabă este singura care încalcă simetria CP. Simetria CP este produsul a două simetrii: C pentru conjugarea sarcinii, ce transformă o particulă în antiparticula sa și P pentru paritate, ce creează imaginea în oglindă a sistemului fizic. Interacțiunea tare și interacțiunea electromagnetică par invariabile în cadrul operației de transformare CP combinată, însă această simetrie este ușor încălcată în timpul anumitor tipuri de interacțiune slabă.
Universul nostru este complicat și uimitor și cu cât învățăm mai multe despre univers, cu atât avem nevoie de mai mulți parametri pentru a-l descrie. Suntem departe de a știi totul, dar speranța unora este că universul este mai simplu decât îl cunoaștem în prezent. Chiar și cu aceste constante, din păcate, modelul standard este prea simplu pentru a funcționa. Universul nostru s-ar putea să nu fie atât de elegant.