¿Cuál es la prueba de que las constantes universales (GGG, ℏℏ\hbar, ……\ldots) son realmente constantes en el tiempo y el espacio?

Se debe separar la pregunta en dos partes, la primera de las cuales es filosófica y la segunda física. La cuestión filosófica se resuelve entendiendo que existen "constantes" que son precisamente aquellas que configuran el sistema de unidades, y estas son constantes por la sencilla razón de que definen nuestras unidades convencionales.

Las constantes que definen la unidad filosóficamente no pueden cambiar. Solo pueden determinarse en relación con medidas físicas utilizando átomos físicos y luz, y estas medidas sirven para fijar nuestras unidades. Las constantes que son filosóficamente incapaces de cambiar se enumeran a continuación:

• La velocidad de la luz c, que define la unidad de espacio dada la unidad de tiempo.
• Constante de Planck,$\hbar$, que define la unidad de masa-energía en términos de la unidad de tiempo inverso.
• La constante de Newton, que define la unidad de masa-energía en términos de la unidad de espacio (y junto con las otras dos, fija una única unidad de masa, longitud y tiempo, las unidades de Planck)
• La constante de Boltzmann, que define el Kelvin en términos de Joule.
• constantes electromagnéticas, que definen la unidad de carga

En términos de unidades de Plack, todas las constantes físicas son adimensionales. Estas son las cantidades que son filosóficamente capaces de cambiar (ver esta pregunta: unidades y naturaleza )

Así que la constante gravitacional simplemente no puede cambiar. Filosóficamente no tiene sentido decir que sí cambia. Lo que realmente estaría diciendo es que los átomos están cambiando de tamaño en relación con las unidades de Planck.

Aquí hay algunas constantes que pueden, en principio, cambiar:

• La carga del electrón en cargas de Planck (el cuadrado de esto se llama constante de estructura fina).
• La masa del protón en masas de Planck (esta es más o menos la exponencial del acoplamiento fuerte en la escala de Planck)
• El VEV de Higgs: este es un parámetro anormalmente pequeño en las unidades de Planck.
• La constante cosmológica: este es el otro parámetro anormalmente pequeño.

Las otras constantes adimensionales son aproximadamente del tamaño esperado. El acoplamiento electrón-Higgs es un poco pequeño, por lo que el electrón es algo ligero en comparación con otras masas de leptones y quarks, pero a 1 parte en mil, no una parte en mil millones, por lo que aún podría ser una coincidencia.

Dentro de la teoría de cuerdas, todas estas constantes dimensionales son cantidades que pueden cambiar, todas están asociadas con una partícula que representa fluctuaciones en estas cantidades. Estas partículas están determinadas por la geometría del espacio-tiempo microscópico. Las constantes que son constantes son aquellas cuya dinámica de baja energía fija su valor, de modo que las pequeñas fluctuaciones vuelven al punto de partida, y cualquier cambio en su valor requiere energías del orden de la energía de Planck.

A bajas energías, o fuera de la teoría de cuerdas, el principio que fija las cargas y masas de las partículas son las consideraciones de renormalizabilidad. Entonces, la razón por la cual la carga del electrón no varía es que si cambia de un lugar a otro, es un campo, y ningún campo puede acoplarse de manera renormalizable al campo de fotones y electrones-positrones. Ya son dimensión 4.

El principio de renormalizabilidad te dice que las únicas constantes que esperas ver en una teoría cuántica de campos que son naturales son los coeficientes adimensionales de las interacciones de dimensión 4, como la carga del electrón, o las escalas macroscópicas determinadas por el funcionamiento logarítmico, como la masa del protón. . El VEV de Higgs no es natural por esta razón, es una escala de masa afinada, y esto sugiere que queda algo que no entendemos sobre el mecanismo de Higgs, que se resolverá una vez que tengamos datos experimentales sobre el Higgs. bosón

El principio de renormalizabilidad solo es aplicable en un régimen de escala donde todas las energías son mucho más bajas que la energía de Planck. En este régimen, también espera que la constante de Newton sea realmente constante, que es la gravedad de Einstein, o que haya un campo escalar sin masa adicional que interactúe gravitacionalmente, que es la teoría de Brans Dicke. Todas las demás correcciones son menos relevantes para la renormalización y escalan a bajas energías (aunque la gravedad de Einstein en sí misma no es renormalizable, es el principal término de escala superviviente a baja energía, por lo que el principio de renormalización aún funciona). Experimentalmente, sabemos que los campos de Brans-Dicke no pueden funcionar a escalas del sistema solar.

Debido a la libertad filosófica de elegir unidades, Brans y Dicke optaron por expresar su teoría en términos de la constante gravitacional que cambia de un lugar a otro. Esta terminología es desafortunada. Podrían haberlo enmarcado tan fácilmente como la velocidad de la luz cambiando de un lugar a otro, y tenían exactamente la misma teoría. Lo mejor es tener tanto G como c constantes y considerar su campo como un nuevo campo escalar que varía de un lugar a otro, sin relación con las constantes que definen la unidad.

No hay prueba de que las constantes fundamentales sean constantes. De hecho, he visto afirmaciones de que la teoría de cuerdas permite variar las constantes, aunque también he visto comentarios (creo que Lubos Motl publicó un blog sobre esto hace un tiempo) de que tales argumentos son incorrectos.

Hay muchísimas publicaciones que miden constantes fundamentales y artículos de revisión de tales medidas. Busque en Google "sitio de constantes fundamentales: arxiv.org" para encontrar suficientes artículos para mantenerlo leyendo por un tiempo. Por el momento no hay evidencia de que alguna de las constantes fundamentales haya cambiado. Hubo algunas observaciones de galaxias distantes que sugirieron que la constante de estructura fina puede haber cambiado en los últimos miles de millones de años, pero creo que esto aún no es concluyente. Ver http://arxiv.org/abs/1202.4758 para un documento reciente sobre esto.

Más tarde: Karsus Ren destaca que en lo anterior he dado a entender que la variación es en el tiempo y no en el espacio. Hasta cierto punto es imposible separar los dos. Dado que la información de "allá" solo llega "aquí" a la velocidad de la luz, solo podemos ver las constantes como eran en el pasado. Sin embargo, sí observamos que el universo es isótropo a gran escala, y esto implica que las constantes fundamentales no varían de manera detectable a gran escala. En la escala del sistema solar, cualquier variación en la constante gravitacional sería fácil de detectar y hasta ahora no se ha encontrado ninguna.

Una medición reciente sugiere que la proporción de masas de electrones y protones no ha cambiado durante al menos 7 mil millones de años.

Resumen:

El modelo estándar de la física se basa en las constantes fundamentales de la naturaleza, pero no proporciona una explicación de sus valores, ni exige su constancia en el espacio y el tiempo. Aquí, establecemos un límite a una posible variación cosmológica de la relación de masa de protón a electrón μ al comparar las transiciones en el metanol observadas en el universo primitivo con las medidas en el laboratorio. Basándonos en las observaciones radioastronómicas de PKS1830-211, deducimos una restricción de ∆μ/μ = (0,0 ± 1,0) × 10−7 con corrimiento al rojo z = 0,89, que corresponde a un tiempo retrospectivo de 7 000 millones de años. Esto es consistente con un resultado nulo.

Esta es más una pregunta filosófica. No hay forma de probar algo, ver el Trilema de Münchhausen . Lo mejor que podemos hacer en ciencia es coherencia, que la teoría se ajuste a la observación. Las "constantes" variables en otros planetas o cerca del agujero negro simplemente no se ajustan a los datos. Además, la ciencia está evolucionando y sujeta a cambios. Si un día la teoría ya no se ajusta a la observación, desarrollamos una teoría mejor.

Sobre las unidades de las constantes:

Algunos dirían que variar las constantes con unidades no tiene sentido, ya que puedes redefinir las unidades para fijar la cantidad física. Sin embargo, una determinada unidad puede tener múltiples definiciones no relacionadas entre sí, al menos en la teoría actual. Por ejemplo, la unidad de masa se puede definir fijando$G$, o fijando la masa del electrón$m_e$, o la masa de${}^{12}\text{C}$.

Si un árbol cae en un bosque cuando nadie lo escucha, ¿hace ruido?

Si toma dos medidas de una cantidad y el valor es el mismo, ¿cuál fue el valor entre sus medidas?

Como se describe en las otras respuestas, su pregunta es realmente más filosofía que física. Hay, sin embargo, razones muy convincentes para pensar que las constantes universales son constantes. El principal es que las teorías en las que se supone que son constantes hacen predicciones precisas sobre el mundo real y brindan explicaciones coherentes para los fenómenos observados.

Para el primero de ellos, la suposición de que la velocidad de la luz es constante conduce a una serie de conclusiones sorprendentes que han sido ampliamente exploradas y formalizadas en las teorías de la relatividad. Cuando estos marcos teóricos se comparan con la observación, sus predicciones coinciden estrechamente. Este es un proceso de extrapolación.

Para el segundo, cuando se han hecho observaciones, podemos hipotetizar qué eventos las llevaron a ellas. Asumir que ciertos aspectos del universo son constantes proporciona una descripción lógicamente coherente. Este es un proceso de interpolación.

Por cierto, si desea ver un poco sobre qué tipo de trabajo implica medir estas constantes, debe consultar la última publicación de CODATA .

En el experimento de Cavendish sólo deseamos explorar el movimiento en dirección horizontal.

Este movimiento no debe verse influenciado por (pequeña) g, por lo que en el experimento debe esperar (mucho tiempo) para que todo se estabilice antes de que pueda determinar mucho. Una vez que se ha establecido, se puede determinar un valor para G (con cierta confianza en que g no interfiere).

El error asociado con un resultado determinado experimentalmente (como el de Cavendish), nos dice qué tan preciso es el resultado. Hasta donde yo sé, todas las constantes determinadas experimentalmente tienen alguna incertidumbre asociada con ellas.

Sin embargo, lo que parece estar preguntando es qué tan precisos son los datos en primer lugar, en lugar de qué tan precisos son. Hay una razón por la que prefieren usar un lenguaje como hipótesis , teoría y ley para describir resultados en física. Su razón es porque nada es 100% seguro.

en mi opinión, el concepto de Unidades de Planck establece qué "constantes" pueden variar significativamente de aquellas que no importan porque no sabríamos la diferencia.

expresar todo en términos de Unidades de Planck. después$c, \hbar, G, \epsilon_0,$y$k_B$ni siquiera existen para variar. ellos son todos$1$excepto (de la convención)$\epsilon_0 = \frac{1}{4 \pi}$. (preferiría una convención donde$4 \pi G = 1$y$\epsilon_0 = 1$).

ahora bien, la medida o expresión de cualquier otra constante física en términos de Unidades de Planck es un valor adimensional. su variación significa algo. Pensé que John Baez pudo condensar el conjunto de constantes físicas fundamentales (cuyo valor posiblemente podría cambiar y significaría algo) hasta 26.$G, \hbar, c$no están en la lista. Creo que, con suficiente física, cualquier constante física expresada en términos de su unidad de Planck puede expresarse como una función de algún subconjunto de los 26.

FYI, en Física realmente no tomamos en consideración preguntas como "qué pasaría si...". En cambio, existe una forma mágica de probar afirmaciones haciendo uso necesariamente de conceptos y teoremas matemáticos para concluir lo que dice la teoría. Pero asegúrese de que, aunque las teorías afirmen ser correctas, no significa que tengan que serlo, sino que con el tiempo, alguien puede afirmar que esas teorías son incorrectas demostrando con suficientes teoremas/derivaciones matemáticas. Lo mismo sucede con las constantes, sus valores pueden ser alterados o corregidos por nuevos valores traídos de investigaciones para mejorar, por ejemplo, la precisión de otras teorías/constantes dependientes de esas.