เราหมายถึงอะไรโดย “กฎของธรรมชาติ”? วลีนี้กระตุ้นชุดของกฎอันสูงส่งและไม่เปลี่ยนแปลงซึ่งอยู่เหนือ “ที่นี่และเดี๋ยวนี้” เพื่อนำไปใช้ทุกที่และทุกเวลาในจักรวาล ความเป็นจริงไม่ยิ่งใหญ่นัก เมื่อเรากล่าวถึงกฎของธรรมชาติ สิ่งที่เรากำลังพูดถึงจริงๆ คือชุดความคิดเฉพาะที่โดดเด่นในความเรียบง่าย ซึ่งดูเหมือนจะเป็นสากลและได้รับการตรวจสอบโดยการทดลอง ดังนั้น มนุษย์จึงเป็นผู้ประกาศ
ว่าทฤษฎี
ทางวิทยาศาสตร์เป็นกฎของธรรมชาติ และมนุษย์มักจะเข้าใจผิด การพัฒนาทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์มักจะเป็นไปตามความต้องการที่จะเข้าใจข้อสังเกตซึ่งไม่เคยมีคำอธิบายที่น่าพอใจมาก่อน เมื่อพัฒนาทฤษฎีใหม่ นักฟิสิกส์มักสันนิษฐานว่าปริมาณพื้นฐาน เช่น แรงโน้มถ่วง ความเร็วแสงในสุญญากาศ
หรือประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนล้วนมีค่าคงที่ และเมื่อทฤษฎีเหล่านี้ถูกค้นพบเพื่อทำนายผลของการสังเกตใหม่ ความเชื่อของเราที่ว่าปริมาณเหล่านี้เป็นค่าคงที่พื้นฐานจะแข็งแกร่งยิ่งขึ้นยิ่งกว่านั้น แม้ว่าเทคโนโลยีจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา
แต่ขอบเขตของเวลาที่มีการค้นพบพื้นฐานทางฟิสิกส์ใหม่ๆ มักจะเทียบได้กับอายุขัยของมนุษย์ ซึ่งหมายความว่าทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นเมื่อหลายสิบปีก่อนอาจดูเหมือนถูกแกะสลักด้วยหินแกรนิตผลลัพธ์สุดท้ายคือความไม่เต็มใจตามธรรมชาติที่จะเปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโลก
แต่สิ่งสำคัญคือต้องจดจำข้อจำกัดที่เกี่ยวข้องกับการทดสอบสมมติฐานเหล่านี้ การทดลองจำนวนมากที่เราดำเนินการเพื่อทดสอบทฤษฎีถูกจำกัดไว้เฉพาะในห้องแล็บวิจัยที่มีขอบเขตของโลกหรือส่วนเล็ก ๆ ของจักรวาลที่เราสามารถสังเกตได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ หากเราทำการทดลองในสถานที่อื่น
หรือในเวลาอื่น เราอาจพบว่าผลลัพธ์นั้นแตกต่างออกไป นั่นคือสิ่งที่ดูเหมือนจะเกิดขึ้นเมื่อเราวัดสิ่งที่เรียกว่าค่าคงที่ของโครงสร้างละเอียดในอดีตอันไกลโพ้นค่าคงที่ของโครงสร้างละเอียดคืออะไร?
กฎของธรรมชาติยังคงเหมือนเดิมตั้งแต่บิ๊กแบงเมื่อ 13.5 พันล้านปีก่อนหรือไม่?
ตั้งคำถามนี้
ครั้งแรกในปี 1937 และเขายังคงสนใจแนวคิดนี้เมื่อเขาไปเยี่ยมมหาวิทยาลัย ในซิดนีย์ในปี 1975 ซึ่งผมประจำอยู่ พยายามเชื่อมโยงแรงโน้มถ่วงซึ่งอธิบายคุณสมบัติขนาดใหญ่ของจักรวาลกับค่าคงที่และตัวเลขต่างๆ ที่แสดงลักษณะคุณสมบัติขนาดเล็กของเอกภพ ในการทำเช่นนั้น
เขาอ้างว่าหนึ่งในค่าคงที่ของธรรมชาติ ความแรงของแรงโน้มถ่วง ควรเปลี่ยนแปลงตามเวลาแม้ว่าการสังเกตในภายหลังจะตัดความคิด ออกไป แต่ความก้าวหน้าในหลาย ๆ ด้านของฟิสิกส์และดาราศาสตร์ได้ส่งผลให้เกิดโอกาสใหม่ ๆ สำหรับเราในการค้นหาคำใบ้ใด ๆ ที่ค่าคงที่ของธรรมชาติอาจแตกต่างกันไป
คำถามเฉพาะที่ฉันได้ติดตามอย่างจริงจังกับเพื่อนร่วมงานที่และที่อื่น ๆ สามารถระบุได้ดังนี้ ค่าคงที่ของโครงสร้างละเอียดมีค่าคงที่จริง ๆ หรือค่าของมันเปลี่ยนไปตามประวัติศาสตร์ของจักรวาลหรือไม่ค่าคงที่ของโครงสร้างละเอียด α เป็นตัววัดความแรงของการปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า
และบอกปริมาณความแรงที่อิเล็กตรอนจับกันภายในอะตอมและโมเลกุล มันถูกกำหนดเป็น α ≡ e 2 / h bar c ≈ 1/137 โดยที่eคือประจุของอิเล็กตรอนhคือค่าคงที่ของพลังค์หารด้วย 2π และcคือความเร็วของแสงในสุญญากาศ ค่าคงที่โครงสร้างละเอียดนั้นน่าสนใจเป็นพิเศษเพราะเป็นจำนวนที่ไม่มีมิติ
สิ่งนี้ทำให้
มีค่าพื้นฐานมากกว่าค่าคงที่อื่นๆ เช่น ความแรงของแรงโน้มถ่วง ความเร็วแสง หรือประจุของอิเล็กตรอน (ดูค่าคงที่ที่มีและไม่มีมิติ) มีเหตุผลทางทฤษฎีว่าทำไม α และค่าคงที่ไร้มิติอื่นๆ อาจแปรผันตามเวลา จอกศักดิ์สิทธิ์ของฟิสิกส์เชิงทฤษฎีคือการหาทฤษฎีที่เป็นหนึ่งเดียวที่อธิบายถึงแรง
พื้นฐานทั้งสี่ ได้แก่ แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า และแรงนิวเคลียร์แบบเข้มและอ่อน แม้ว่าความแรงของแรงทั้งสี่นี้จะแตกต่างกัน เช่นเดียวกับระยะทางที่พวกมันกระทำ นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เชื่อว่าจะมีการค้นพบทฤษฎีที่เป็นเอกภาพ หากไม่พบทฤษฎีดังกล่าว ความสง่างามและความสวยงามของฟิสิกส์พื้นฐาน
ทฤษฎีแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปต้องการเพียงสามมิติเชิงพื้นที่ อย่างไรก็ตาม คู่แข่งชั้นนำสำหรับทฤษฎีที่เป็นเอกภาพนั้นต้องการมิติพิเศษที่มากกว่าสามมิติที่เราคุ้นเคย เราไม่รู้ว่าทฤษฎีที่เป็นเอกภาพเหล่านี้ถูกต้องหรือไม่ แต่ถ้ามีมิติพิเศษอยู่จริง พวกมันจะต้องเล็กเมื่อเทียบกับมิติเชิงพื้นที่ทั่วไป
ของเรา แนวคิดของการระบุ “ขนาด” ให้กับมิติข้อมูลอาจดูแปลกแต่มีความสำคัญ ขนาดปัจจุบันของเอกภพถูกกำหนดโดยระยะทางที่แสงเดินทางตั้งแต่บิกแบง (เช่น ประมาณ 13.5 พันล้านปีแสง) และตามจำนวนที่แสงได้ขยายตัวตั้งแต่นั้นมา ซึ่งหมายความว่าขนาดที่แท้จริงของเอกภพอยู่
ที่ประมาณ 4 หมื่นล้านปีแสงและสูงขึ้นเรื่อยๆ มิติพิเศษที่ทำนายโดยทฤษฎีเอกภาพยังขยายตัวในอัตราเดียวกับเอกภพหรือไม่? คำตอบสำหรับคำถามนี้คือไม่ หากมิติพิเศษเล็ก ๆ ขยายตัวในอัตรานี้ แรงโน้มถ่วงก็จะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเช่นกัน และไม่มีหลักฐานสำหรับเรื่องนี้ อย่างไรก็ตาม
อาจเป็นไปได้ที่จะอนุมานถึงการมีอยู่ของมิติพิเศษเหล่านี้หากมีอยู่โดยการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของแรงโน้มถ่วงหรือแรงอื่นๆ อีกสามแรง ตัวอย่างเช่น มีการคาดการณ์ว่ามิติพิเศษที่ “ใหญ่” อาจทำให้เกิดการเบี่ยงเบนเล็กน้อยในกฎแรงดึงดูดกำลังสองผกผันในระยะทางน้อยกว่า 1 มม.
อย่างไรก็ตาม การวัดล่าสุด และเพื่อนร่วมงาน ไม่พบหลักฐานใดๆ สำหรับสิ่งนี้ในระยะทางประมาณ 100 µmนี่เป็นเพียงหนึ่งในหลายๆ การทดลองที่มีขึ้นเพื่อทำการทดสอบค่าคงที่ แรง และสมมาตรพื้นฐานที่มีความแม่นยำสูงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีหลายวิธีในการวัดการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้
