Was ist der Beweis dafür, dass die universellen Konstanten (GGG, ℏℏ\hbar, ……\ldots) in Zeit und Raum wirklich konstant sind?

Man sollte die Frage in zwei Teile aufteilen, von denen der erste philosophisch und der zweite physikalisch ist. Die philosophische Frage wird gelöst, indem man versteht, dass es "Konstanten" gibt, die genau diejenigen sind, die das Einheitensystem festlegen, und diese sind aus dem einfachen Grund konstant, dass sie unsere konventionellen Einheiten definieren.

Die einheitendefinierenden Konstanten können sich philosophisch nicht ändern. Sie können nur relativ zu physikalischen Messungen mit physikalischen Atomen und Licht bestimmt werden, und diese Messungen dienen dazu, unsere Einheiten zu fixieren. Die Konstanten, die sich philosophisch nicht ändern können, sind unten aufgeführt:

• Die Lichtgeschwindigkeit c, die die Raumeinheit bei gegebener Zeiteinheit definiert.
• Plancksche Konstante,$\hbar$, die die Einheit der Masse-Energie in Bezug auf die Einheit der inversen Zeit definiert.
• Die Newtonsche Konstante, die die Einheit der Masse-Energie in Bezug auf die Raumeinheit definiert (und in Verbindung mit den anderen beiden eine einzigartige Einheit für Masse, Länge und Zeit festlegt, die Planck-Einheiten)
• Boltzmann-Konstante, die das Kelvin in Joule definiert.
• elektromagnetische Konstanten, die die Einheit der Ladung definieren

In Bezug auf Plack-Einheiten sind alle physikalischen Konstanten dimensionslos. Dies sind die Größen, die sich philosophisch ändern können (siehe diese Frage: Einheiten und Natur )

Die Gravitationskonstante kann sich also einfach nicht ändern. Es ist philosophisch bedeutungslos zu sagen, dass es sich ändert. Was Sie wirklich sagen würden, ist, dass Atome ihre Größe relativ zu Planck-Einheiten ändern.

Hier sind einige Konstanten, die sich im Prinzip ändern können:

• Die Ladung des Elektrons in Planck-Ladungen (das Quadrat hiervon heißt Feinstrukturkonstante).
• Die Masse des Protons in Planck-Massen (dies ist mehr oder weniger die Exponentialfunktion der starken Kopplung auf der Planck-Skala)
• Der Higgs-VEV: Dies ist ein unnatürlich kleiner Parameter in Planck-Einheiten.
• Die kosmologische Konstante: Dies ist der andere unnatürlich kleine Parameter.

Die anderen dimensionslosen Konstanten haben ungefähr die erwartete Größe. Die Elektron-Higgs-Kopplung ist etwas klein, daher ist das Elektron im Vergleich zu anderen Lepton- und Quarkmassen etwas leicht, aber zu 1 Teil von tausend, nicht zu einem Teil von einer Milliarde, also könnte es immer noch ein Zufall sein.

Innerhalb der Stringtheorie sind alle diese Dimensionskonstanten Größen, die sich ändern können, sie sind alle einem Teilchen zugeordnet, das Schwankungen dieser Größen darstellt. Diese Teilchen werden durch die Geometrie der mikroskopischen Raumzeit bestimmt. Die Konstanten, die konstant sind, sind diejenigen, deren Dynamik bei niedriger Energie ihren Wert festlegt, so dass kleine Schwankungen dorthin zurückkehren, wo sie begonnen haben, und jede Änderung ihres Werts Energien in der Größenordnung der Planck-Energie erfordert.

Bei niedrigen Energien oder außerhalb der Stringtheorie sind Überlegungen zur Renormierbarkeit das Prinzip, das die Ladungen und Massen der Teilchen festlegt. Der Grund, warum die Elektronenladung nicht variiert, liegt darin, dass sie, wenn sie sich von Ort zu Ort ändert, ein Feld ist und kein Feld auf renormierbare Weise an das Photonen- und Elektron-Positron-Feld koppeln kann. Sie sind bereits Dimension 4.

Das Prinzip der Renormalisierbarkeit sagt Ihnen, dass die einzigen Konstanten, die Sie in einer Quantenfeldtheorie erwarten, die natürlich sind, die dimensionslosen Koeffizienten der Wechselwirkungen der Dimension 4 sind, wie die Elektronenladung, oder makroskopische Skalen, die durch logarithmisches Laufen bestimmt werden, wie die Masse des Protons . Das Higgs-VEV ist aus diesem Grund unnatürlich, es ist eine fein abgestimmte Massenskala, und dies deutet darauf hin, dass es noch etwas gibt, das wir über den Higgs-Mechanismus nicht verstehen, das geklärt werden wird, sobald wir experimentelle Daten über das Higgs haben Boson.

Das Prinzip der Renormalisierbarkeit ist nur in einem Skalierungsregime anwendbar, in dem alle Energien viel niedriger als die Planck-Energie sind. In diesem Regime erwarten Sie auch, dass entweder die Newtonsche Konstante wirklich konstant ist, was Einsteins Gravitation ist, oder dass es ein zusätzliches masseloses Skalarfeld gibt, das gravitativ wechselwirkt, was die Theorie von Brans Dicke ist. Alle anderen Korrekturen sind weniger renormierungsrelevant und skalieren bei niedrigen Energien weg (obwohl die Einstein-Schwerkraft selbst nicht renormierbar ist, ist sie der führende überlebende Skalierungsterm bei niedriger Energie, sodass das Renormierungsprinzip immer noch funktioniert). Experimentell wissen wir, dass Brans-Dicke-Felder nicht im Maßstab des Sonnensystems funktionieren können.

Aufgrund der philosophischen Freiheit bei der Wahl der Einheiten entschieden sich Brans und Dicke dafür, ihre Theorie in Begriffen der sich von Ort zu Ort ändernden Gravitationskonstante auszudrücken. Diese Terminologie ist unglücklich. Sie hätten es genauso gut einrahmen können wie die Lichtgeschwindigkeit, die sich von Ort zu Ort ändert, und hatten genau die gleiche Theorie. Es ist am besten, G und c beide konstant zu haben und ihr Feld als ein neues Skalarfeld zu betrachten, das von Ort zu Ort variiert, ohne Beziehung zu den einheitendefinierenden Konstanten.

Es gibt keinen Beweis dafür, dass Naturkonstanten konstant sind. Tatsächlich habe ich Behauptungen gesehen, dass die Stringtheorie unterschiedliche Konstanten zulässt, obwohl ich auch Kommentare gesehen habe (ich glaube, Lubos Motl hat vor einiger Zeit darüber gebloggt), dass solche Argumente falsch sind.

Es gibt viele, viele Veröffentlichungen zur Messung von Fundamentalkonstanten und Übersichtsartikel über solche Messungen. Google nach "fundamental constants site:arxiv.org", um genügend Artikel zu finden, die Sie eine Weile lesen lassen. Im Moment gibt es keine Hinweise darauf, dass sich irgendeine der fundamentalen Konstanten geändert hat. Es gab einige Beobachtungen entfernter Galaxien, die darauf hindeuten, dass sich die Feinstrukturkonstante in den letzten paar Milliarden Jahren geändert haben könnte, aber ich glaube, dass dies immer noch nicht schlüssig ist. Siehe http://arxiv.org/abs/1202.4758 für ein aktuelles Papier dazu.

Später: Karsus Ren macht einen guten Punkt, dass ich oben angedeutet habe, dass die Variation eher über die Zeit als über den Raum erfolgt. Bis zu einem gewissen Grad ist es unmöglich, die beiden zu trennen. Da Informationen von „dort“ nur mit Lichtgeschwindigkeit „hier“ ankommen, können wir nur die Konstanten sehen, wie sie in der Vergangenheit waren. Wir beobachten jedoch, dass das Universum im großen Maßstab isotrop ist, und dies impliziert, dass die Fundamentalkonstanten im großen Maßstab nicht nachweisbar variieren. Auf der Skala des Sonnensystems wären alle Variationen der Gravitationskonstante leicht zu erkennen und wurden bisher nicht gefunden.

Eine kürzlich durchgeführte Messung legt nahe , dass sich das Verhältnis der Massen von Elektronen und Protonen seit mindestens 7 Milliarden Jahren nicht geändert hat.

Abstrakt:

Das Standardmodell der Physik baut auf den fundamentalen Naturkonstanten auf, liefert aber weder eine Erklärung für deren Werte, noch fordert sie deren Konstanz über Raum und Zeit. Hier setzen wir eine Grenze für eine mögliche kosmologische Variation des Protonen-zu-Elektronen-Massenverhältnisses μ, indem wir Übergänge in Methanol, die im frühen Universum beobachtet wurden, mit den im Labor gemessenen vergleichen. Basierend auf radioastronomischen Beobachtungen von PKS1830-211 haben wir eine Einschränkung von ∆μ/μ = (0,0 ± 1,0) × 10−7 bei Rotverschiebung z = 0,89 abgeleitet, was einer Rückblickzeit von 7 Milliarden Jahren entspricht. Dies steht im Einklang mit einem Null-Ergebnis.

Das ist eher eine philosophische Frage. Es gibt keine Möglichkeit, etwas tatsächlich zu beweisen , siehe das Münchhausen-Trilemma . Das Beste, was wir in der Wissenschaft tun können, ist Kohärenz, dass die Theorie zur Beobachtung passt. Unterschiedliche "Konstanten" auf anderen Planeten oder in der Nähe des Schwarzen Lochs passen einfach nicht zu den Daten. Darüber hinaus entwickelt sich die Wissenschaft weiter und ist Veränderungen unterworfen. Wenn eines Tages die Theorie nicht mehr zur Beobachtung passt, entwickeln wir eine bessere Theorie.

Über die Einheiten von Konstanten:

Einige würden sagen, dass das Variieren von Konstanten mit Einheiten bedeutungslos ist, da Sie einfach Einheiten neu definieren können, um die physikalische Größe festzulegen. Eine bestimmte Einheit kann jedoch mehrere Definitionen haben, die nicht miteinander zusammenhängen, zumindest in der aktuellen Theorie. Beispielsweise kann die Masseneinheit durch Festlegen definiert werden$G$, oder durch Festlegen der Masse des Elektrons$m_e$, oder die Masse von${}^{12}\text{C}$.

Wenn ein Baum in einen Wald fällt, wenn niemand da ist, um es zu hören, macht es dann ein Geräusch?

Wenn Sie zwei Messungen einer Größe vornehmen und der Wert derselbe ist, was war der Wert zwischen Ihren Messungen?

Wie in den anderen Antworten beschrieben, ist Ihre Frage wirklich mehr Philosophie als Physik. Es gibt jedoch sehr zwingende Gründe zu der Annahme, dass die universellen Konstanten konstant sind. Der wichtigste ist, dass Theorien, in denen sie als konstant angenommen werden, genaue Vorhersagen über die reale Welt machen und kohärente Erklärungen für beobachtete Phänomene liefern.

Zum ersten führt die Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, zu einer Reihe überraschender Schlussfolgerungen, die in den Relativitätstheorien weitgehend erforscht und formalisiert wurden. Wenn diese theoretischen Rahmenbedingungen mit Beobachtungen verglichen werden, stimmen ihre Vorhersagen sehr gut überein. Dies ist ein Vorgang der Extrapolation.

Zweitens können wir, wenn Beobachtungen gemacht wurden, Hypothesen darüber aufstellen, welche Ereignisse zu ihnen geführt haben. Die Annahme, dass bestimmte Aspekte des Universums konstant sind, liefert eine logisch kohärente Beschreibung. Dies ist ein Vorgang der Interpolation.

Übrigens, wenn Sie ein wenig darüber erfahren möchten, welche Art von Arbeit in die Messung dieser Konstanten gesteckt wird, sollten Sie sich die neueste CODATA-Veröffentlichung ansehen .

Beim Cavendish-Experiment wollen wir nur die Bewegung in horizontaler Richtung untersuchen.

Diese Bewegung sollte nicht durch (wenig) g beeinflusst werden, weshalb Sie im Experiment (lange) warten müssen, bis sich das Ganze beruhigt hat, bevor Sie viel feststellen können. Sobald es sich beruhigt hat, kann ein Wert für G bestimmt werden (mit einer gewissen Sicherheit, dass g nicht stört).

Der Fehler, der mit einem experimentell ermittelten Ergebnis (wie dem von Cavendish) verbunden ist, sagt uns, wie genau das Ergebnis ist. Soweit ich weiß, sind die experimentell bestimmten Konstanten alle mit einer gewissen Unsicherheit verbunden.

Was Sie jedoch zu fragen scheinen, ist eher, wie genau die Daten überhaupt sind, als wie genau sie sind. Es gibt einen Grund, warum sie es vorziehen, Sprache wie Hypothese , Theorie und Gesetz zu verwenden, um Ergebnisse in der Physik zu beschreiben. Sie begründen das damit, dass nichts 100 % sicher ist.

Meiner Meinung nach regelt das Konzept der Planck-Einheiten gewissermaßen, welche "Konstanten" sich sinnvoll von denen unterscheiden könnten, bei denen es keine Rolle spielt, weil wir den Unterschied nicht kennen würden.

alles in Planck-Einheiten ausdrücken. dann$c, \hbar, G, \epsilon_0,$und$k_B$existieren nicht einmal, um zu variieren. Sie sind alle$1$außer (von Konvention)$\epsilon_0 = \frac{1}{4 \pi}$. (Ich würde eine Convention vorziehen, wo$4 \pi G = 1$und$\epsilon_0 = 1$).

jetzt ist die Messung oder der Ausdruck jeder anderen physikalischen Konstante in Form von Planck-Einheiten ein dimensionsloser Wert. seine Variation bedeutet etwas. Ich dachte, John Baez wäre in der Lage, die Menge der fundamentalen physikalischen Konstanten (deren Wert sich möglicherweise ändern könnte und was etwas bedeuten würde) auf 26 zu verdichten.$G, \hbar, c$sind nicht auf der Liste. Ich denke, mit genügend Physik kann jede physikalische Konstante, die in Bezug auf ihre Planck-Einheit ausgedrückt wird, als Funktion einer Teilmenge der 26 ausgedrückt werden.

Zu Ihrer Information, in der Physik berücksichtigen wir Fragen wie "Was wäre, wenn ..." nicht wirklich. Stattdessen gibt es einen magischen Weg, Behauptungen zu beweisen, indem man notwendigerweise mathematische Konzepte und Theoreme verwendet, um zu schließen, worüber die Theorie sagt. Aber stellen Sie sicher, dass, obwohl Theorien behaupten, dass sie richtig sind, dies nicht bedeutet, dass sie es sein müssen, stattdessen kann jemand mit der Zeit behaupten, dass diese Theorien falsch sind, indem er mit genügend mathematischen Theoremen / Ableitungen beweist. Dasselbe passiert mit Konstanten, deren Werte durch neue Werte aus der Forschung geändert oder korrigiert werden können, um beispielsweise die Genauigkeit von davon abhängigen anderen Theorien/Konstanten zu verbessern.