Stała struktury drobnej - Fine-structure constant

W fizyce The stałe drobnocząsteczkowa , znany również jako stałą Sommerfeld , zazwyczaj oznaczone przez alfa (na greckiej litery alfa ) jest podstawowym stałe fizyczne , które wylicza siłę oddziaływania elektromagnetycznego pomiędzy naładowanych cząstek elementarnych. Jest to wielkość bezwymiarowa związana z ładunkiem elementarnym e , który oznacza siłę sprzężenia cząstki naładowanej elementarnie z polem elektromagnetycznym , wzorem ε 0 ħcα = e 2 . Jako ilość bezwymiarowa , jej wartość liczbowa , około1/137, jest niezależny od używanego systemu jednostek .

Chociaż istnieje wiele interpretacji fizycznych dla α , otrzymał swoją nazwę od Arnolda Sommerfelda , który wprowadził ją w 1916 roku, rozszerzając model atomu Bohra. α ilościowo różnic w konstrukcji cienkiej z linii widmowych atomu wodoru, który nie został dokładnie zmierzone przez Michelson i Morley 1887.

Definicja

Niektóre równoważne definicje α pod względem innych podstawowych stałych fizycznych to:

gdzie:

Gdy pozostałe stałe ( c , h i e ) mają określone wartości, definicja odzwierciedla zależność między α a przepuszczalnością wolnej przestrzeni µ 0 , która równa się µ 0 =2 godz/ce 2. W 2019 redefinicja jednostek podstawowych SI , 4 π  × 1,000 000 000 54 (15) × 10 -7  H⋅m -1 jest wartością µ 0 opartą na średniej ze wszystkich istniejących wówczas pomiarów stałej struktury subtelnej.

W jednostkach innych niż SI

Elektrostatycznym CGS jednostki, przy czym jednostka ładunku elektrycznego , w statcoulomb , jest określona tak, że stały kulombowskiego , k e lub współczynnik przenikalności , ε 0 , oznacza 1, a bezwymiarowy . Wtedy wyrażenie stałej struktury subtelnej, powszechnie spotykane w starszej literaturze fizycznej, staje się

W jednostkach naturalnych , powszechnie stosowanych w fizyce wysokich energii, gdzie ε 0 = c = ħ = 1 , wartość stałej struktury subtelnej wynosi

Jako taka, stała struktury subtelnej jest po prostu kolejną, aczkolwiek bezwymiarową, wielkością określającą (lub wyznaczaną przez) ładunek elementarny : e = α0,302 822 12 w przeliczeniu na taką naturalną jednostkę ładunku.

W jednostkach atomowych Hartree ( e = m e = ħ = 1 i ε 0 =1/), stała struktury subtelnej wynosi

Pomiar

Diagramy Feynmana ósmego rzędu dotyczące samooddziaływania elektronów. Pozioma linia w kształcie strzałki przedstawia elektron, linie faliste to wirtualne fotony, a kółka to wirtualne pary elektronpozyton .

Zalecana przez CODATA wartość α w 2018 r. to

α =e 2/ε 0 ħc = 0,007 297 352 5693 (11) .

Ma to względną niepewność standardową 0,15  części na miliard .

Ta wartość dla α daje µ 0 = 4 π  × 1,000 000 000 54 (15) × 10 -7  H⋅m -1 , 3,6 odchylenia standardowego od jego starej określonej wartości, ale ze średnią różniącą się od starej wartości tylko o 0,54  części na miliard .

Dla wygody historycznie często określa się wartość odwrotności stałej struktury subtelnej. Zalecana wartość CODATA 2018 jest podana przez

α- 1 =137 035 999 084 (21) .

Podczas gdy wartość alfa może być szacowane z wartości stałych znajdujących się w jednym z jego definicji, teoria elektrodynamikę kwantowej (QED) dostarcza sposób pomiaru α bezpośrednio za pomocą kwantowej efekt Halla lub anormalnego moment magnetyczny w elektrony . Inne metody obejmują efekt AC Josephsona i odrzut fotonów w interferometrii atomowej. Istnieje ogólna zgodność co do wartości α mierzonej tymi różnymi metodami. Preferowanymi metodami w 2019 roku są pomiary anomalnych momentów magnetycznych elektronów oraz odrzutu fotonów w interferometrii atomowej. Teoria QED przewiduje zależność między bezwymiarowego momentu magnetycznego w elektrony i drobnocząsteczkowa stałej alfa (moment magnetyczny elektronu jest również określana jako „ Lände g czynnika a ” i oznaczany g ). Najdokładniejsza wartość α uzyskana eksperymentalnie (stan na 2012 r.) opiera się na pomiarze g za pomocą jednoelektronowego aparatu tzw.12 672 diagramy Feynmana dziesiątego rzędu :

α- 1 =137.035 999 174 (35) .

Ten pomiar α ma względną niepewność standardową2,5 x 10 -10 . Ta wartość i niepewność są mniej więcej takie same jak w najnowszych wynikach eksperymentalnych. Dalsze udoskonalenia tej pracy zostały opublikowane do końca 2020 roku, dając wartość

α- 1 =137.035 999 206 (11) .

ze względną dokładnością 81 części na bilion.

Interpretacje fizyczne

Stała struktury subtelnej α ma kilka interpretacji fizycznych. α to:

  • Stosunek dwóch energii: (i) energia potrzebna do pokonania odpychania elektrostatycznego między dwoma elektronami w odległości d oraz (ii) energia pojedynczego fotonu o długości fali λ = 2π d (lub o długości fali kątowej d ; patrz Relacja Plancka ):
  • Stosunek prędkości elektronu na pierwszej orbicie kołowej modelu Bohra atomu , który wynosi1/ε 0 e 2/h, do prędkości światła w próżni, c . To jest oryginalna fizyczna interpretacja Sommerfelda . Wtedy kwadrat α jest stosunkiem energii Hartree'a ( 27,2 eV = dwukrotna energia Rydberga = w przybliżeniu dwukrotna jej energia jonizacji) do energii spoczynkowej elektronu (511 keV).
  • jest stosunkiem energii potencjalnej elektronu na pierwszej orbicie kołowej modelu Bohra atomu do energii równoważnej masie elektronu. Korzystanie z twierdzenia Viriala w modelu atomu Bohra, co oznacza, że
    Zasadniczo stosunek ten wynika z prędkości elektronu będącej .
  • Dwa stosunki trzech charakterystycznych długości: klasyczny promień elektronu r e , długość fali Comptona elektronu λ e i promień Bohra a 0 :
  • W elektrodynamikę kwantowej , α jest bezpośrednio związana z stała sprzężenia określania siły wzajemnego oddziaływania pomiędzy elektronami i fotonów . Teoria nie przewiduje jej wartości. Dlatego α należy wyznaczyć eksperymentalnie. W rzeczywistości, α jest empirycznych parametrów standardowego modelu z fizyki cząstek , których wartość nie jest określona przez model Standard.
  • W teorii elektrosłabej ujednolicającej oddziaływanie słabe z elektromagnetyzmem , α jest absorbowane przez dwie inne stałe sprzężenia związane z elektrosłabymi polami cechowania . W tej teorii oddziaływanie elektromagnetyczne traktowane jest jako mieszanina oddziaływań związanych z polami elektrosłabymi. Siła oddziaływania elektromagnetycznego zmienia się wraz z siłą pola energetycznego .
  • W dziedzinie elektrotechniki i fizycznych stanu stałego , stała drobnocząsteczkowa jest czwarty produkt o charakterystycznej impedancji wolnej przestrzeni , Z 0 = μ 0 C , a kwantowa przewodności , G 0 =2 i 2/h:
    .
    Przewodność optyczny z grafenu widocznych częstotliwości teoretycznie podajeπ G 0/4, w wyniku czego jego właściwości pochłaniania i przepuszczania światła mogą być wyrażone wyłącznie w postaci stałej struktury drobnej. Wartość absorpcji dla normalnego padania światła na grafenie w próżni byłaby wtedy dana przezπα/(1 + πα /2) 2 lub 2,24%, a transmisja przez 1/(1 + πα /2) 2 lub 97,75% (zaobserwowano eksperymentalnie między 97,6% a 97,8%).
  • Stała struktury subtelnej daje maksymalny dodatni ładunek jądra atomowego, który pozwoli na stabilną orbitę elektronów wokół niego w modelu Bohra (pierwiastek feynman ). Dla elektronu krążącego wokół jądra atomowego o liczbie atomowej Z ,mw 2/r = 1/4 πε 0 Ze 2/r 2. Zasada nieoznaczoności Heisenberga zależność nieoznaczoności pędu i położenia takiego elektronu to po prostu mvr = ħ . Relatywistyczna wartość graniczna dla v wynosi c , a więc wartość graniczna dla Z jest odwrotnością stałej struktury subtelnej, 137.
  • Moment magnetyczny elektronu wskazuje, że ładunek krąży w promieniu r Q z prędkością światła. Generuje energię promieniowania m e c 2 i ma moment pędu L = 1 ħ = r Q m e c . Energia pola stacjonarnego pola kulombowskiego to m e c 2 =e 2/ε 0 r ei definiuje klasyczny promień elektronu r e . Te wartości wprowadzone do definicji alfa dają α =r e/r Q. Porównuje dynamiczną strukturę elektronu z klasycznym założeniem statycznym.
  • Alfa jest związana z prawdopodobieństwem, że elektron wyemituje lub pochłonie foton.
  • Biorąc pod uwagę dwie hipotetyczne cząstki punktowe, każda o masie Plancka i ładunku elementarnym, oddzielone dowolną odległością, α jest stosunkiem ich elektrostatycznej siły odpychania do ich grawitacyjnej siły przyciągania.
  • Kwadrat stosunku ładunku elementarnego do ładunku Plancka

Kiedy teoria perturbacji zostanie zastosowana do elektrodynamiki kwantowej , wynikające z niej perturbacyjne rozszerzenia wyników fizycznych są wyrażane jako zbiory szeregów potęgowych w α . Ponieważ α jest znacznie mniejsze niż jeden, wyższe potęgi α wkrótce przestaną mieć znaczenie, czyniąc teorię perturbacji praktyczną w tym przypadku. Z drugiej strony duża wartość odpowiednich współczynników w chromodynamice kwantowej sprawia, że ​​obliczenia z udziałem silnych sił jądrowych są niezwykle trudne.

Zmienność ze skalą energetyczną

W elektrodynamice kwantowej , dokładniejszej kwantowej teorii pola leżącej u podstaw sprzężenia elektromagnetycznego, grupa renormalizacji dyktuje, w jaki sposób siła oddziaływania elektromagnetycznego rośnie logarytmicznie wraz ze wzrostem odpowiedniej skali energii . Wartość stałej struktury subtelnej α jest powiązana z obserwowaną wartością tego sprzężenia związanego ze skalą energii masy elektronu : elektron jest dolną granicą dla tej skali energii, ponieważ on (i pozyton ) jest najlżej naładowany obiekt, którego pętle kwantowe mogą przyczynić się do biegu. W związku z tym,1/137.036jest wartością asymptotyczną stałej struktury subtelnej przy zerowej energii. Przy wyższych energiach, takich jak skala bozonu Z , około 90  GeV , zamiast tego mierzy się efektywne α ≈ 1/127 .

Wraz ze wzrostem skali energii siła oddziaływania elektromagnetycznego w Modelu Standardowym zbliża się do pozostałych dwóch oddziaływań fundamentalnych , co jest cechą ważną dla teorii wielkiej unifikacji . Gdyby elektrodynamika kwantowa była dokładną teorią, stała struktury subtelnej faktycznie różniłaby się przy energii znanej jako biegun Landaua — fakt ten podważa spójność elektrodynamiki kwantowej poza perturbacyjnymi ekspansjami.

Historia

Opierając się na precyzyjnym pomiarze widma atomów wodoru przez Michelsona i Morleya w 1887 roku, Arnold Sommerfeld rozszerzył model Bohra o orbity eliptyczne i relatywistyczną zależność masy od prędkości. W 1916 r. wprowadził określenie stałej struktury subtelnej. Pierwszą fizyczną interpretacją stałej struktury subtelnej α był stosunek prędkości elektronu na pierwszej orbicie kołowej relatywistycznego atomu Bohra do prędkości światła w próżnia. Równoważnie był to iloraz między minimalnym momentem pędu dozwolonym przez teorię względności dla orbity zamkniętej i minimalnym momentem pędu dozwolonym przez mechanikę kwantową. Pojawia się on naturalnie w analizie Sommerfelda i determinuje wielkość rozszczepienia lub drobnej struktury hydrogenicznych linii widmowych . Ta stała nie była postrzegana jako istotna aż do liniowego relatywistycznego równania falowego Paula Diraca w 1928 roku, które dało dokładny wzór na strukturę subtelną.

Wraz z rozwojem elektrodynamiki kwantowej (QED) znaczenie α rozszerzyło się ze zjawiska spektroskopowego na ogólną stałą sprzężenia dla pola elektromagnetycznego, określającą siłę oddziaływania między elektronami i fotonami. Terminα/jest wygrawerowany na nagrobku jednego z pionierów QED, Juliana Schwingera , nawiązując do jego obliczeń anomalnego magnetycznego momentu dipolowego .

Historia pomiarów

Kolejne wartości stałych struktury subtelnej
Data α 1/α Źródła
1969 lipiec 0,007297351(11) 137.03602(21) KODATA 1969
1973 0,0072973461(81) 137.03612(15) KODATA 1973
1987 styczeń 0,00729735308(33) 137.0359895(61) KODATA 1986
1998 0,007297352582(27) 137.03599883(51) Kinoszita
2000 kwiecień 0,007297352533(27) 137.03599976(50) KODATA 1998
2002 0,007297352568(24) 137.03599911(46) KODATA 2002
2007 lipiec 0,0072973525700(52) 137.035999070(98) Gabriela 2007
2 czerwca 2008 0,0072973525376(50) 137.035999679(94) KODATA 2006
2008 lipiec 0,0072973525692(27) 137.035999084(51) Gabriela 2008, Hanneke 2008
2010 grudzień 0,0072973525717(48) 137.035999037(91) Bouchendira 2010
2011 czerwiec 0,0072973525698(24) 137.035999074(44) KODATA 2010
2015 cze 25 0,0072973525664(17) 137.035999139(31) KODATA 2014
2017 Lip 10 0,0072973525657(18) 137.035999150(33) Aoyama i in. 2017
2018 gru 12 0,0072973525713(14) 137.035999046(27) Parker i in. 2018
2019 maj 20 0,0072973525693(11) 137.035999084(21) KODATA 2018
2 grudnia 2020 r 0,0072973525628(6) 137.035999206(11) Morel i in. 2020

Wartości CODATA w powyższej tabeli są obliczane przez uśrednienie innych pomiarów; nie są to niezależne eksperymenty.

Potencjalna zmienność w czasie

Fizycy zastanawiali się, czy stała struktury subtelnej jest rzeczywiście stała, czy też jej wartość różni się w zależności od położenia i czasu. Zmienne α zostało zaproponowane jako sposób rozwiązywania problemów kosmologii i astrofizyki . Teoria strun i inne propozycje wyjścia poza Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych doprowadziły do ​​teoretycznego zainteresowania tym, czy przyjęte stałe fizyczne (nie tylko α ) rzeczywiście się różnią.

W poniższych eksperymentach Δ α reprezentuje zmianę α w czasie, którą można obliczyć przez α prevα now . Jeśli stała struktury subtelnej naprawdę jest stałą, to każdy eksperyment powinien to wykazać

lub tak blisko zera, jak może zmierzyć eksperyment. Każda wartość daleka od zera wskazywałaby, że α zmienia się w czasie. Jak dotąd większość danych eksperymentalnych jest zgodna z faktem, że α jest stałe.

Wcześniejsze tempo zmian

Pierwsi eksperymentatorzy, którzy sprawdzili, czy stała struktury subtelnej rzeczywiście może się różnić, zbadali linie widmowe odległych obiektów astronomicznych i produkty rozpadu radioaktywnego w naturalnym reaktorze jądrowym Oklo . Ich odkrycia były zgodne z brakiem zmian stałej struktury subtelnej między tymi dwoma bardzo oddzielonymi lokalizacjami i czasami.

Udoskonalona technologia na początku XXI wieku umożliwiła pomiary wartości α na znacznie większych odległościach i z dużo większą dokładnością. W 1999 roku zespół kierowany przez Johna K. Webba z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii stwierdził pierwsze wykrycie zmienności α . Używając teleskopów Kecka i zestawu danych 128 kwazarów przy przesunięciu ku czerwieni 0,5 < z < 3 , Webb et al. odkryli, że ich widma były zgodne z niewielkim wzrostem α w ciągu ostatnich 10–12 miliardów lat. W szczególności odkryli, że

Innymi słowy, zmierzyli wartość, aby była gdzieś pomiędzy −0.000 0047 i-0,000 0067 . Jest to bardzo mała wartość, ale słupki błędów w rzeczywistości nie zawierają zera. Wynik ten wskazuje albo, że α nie jest stałe, albo że istnieje błąd eksperymentalny nieuwzględniony.

W 2004 r. Chand i in. przeprowadzili mniejsze badanie 23 systemów absorpcyjnych . , używając Bardzo Dużego Teleskopu , nie znalazł żadnej mierzalnej zmiany:

Jednak w 2007 r. zidentyfikowano proste wady w metodzie analitycznej Chanda i in. , dyskredytując te wyniki.

King i in. wykorzystali metody Monte Carlo łańcucha Markowa do zbadania algorytmu stosowanego przez grupę UNSW do określenia:Æ a-/α z widm kwazarów i stwierdzili, że algorytm wydaje się generować prawidłowe niepewności i oszacowania maksymalnego prawdopodobieństwa dla Æ a-/αdla poszczególnych modeli. Sugeruje to, że niepewności statystyczne i najlepsze oszacowanie dlaÆ a-/αstwierdzili Webb i in. oraz Murphy i in. są wytrzymałe.

Lamoreaux i Torgerson przeanalizowali dane z naturalnego reaktora jądrowego Oklo w 2004 roku i doszli do wniosku, że α zmieniła się w ciągu ostatnich 2 miliardów lat o 45 części na miliard. Twierdzili, że to odkrycie było „prawdopodobnie dokładne z dokładnością do 20%”. Dokładność zależy od szacunków zanieczyszczeń i temperatury w reaktorze naturalnym. Te wnioski trzeba zweryfikować.

W 2007 roku Khatri i Wandelt z University of Illinois w Urbana-Champaign zdali sobie sprawę, że nadsubtelne przejście o długości 21 cm w obojętnym wodorze we wczesnym Wszechświecie pozostawia unikalny odcisk linii absorpcyjnej w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła . Zaproponowali wykorzystanie tego efektu do pomiaru wartości α w epoce przed powstaniem pierwszych gwiazd. Zasadniczo technika ta zapewnia wystarczającą ilość informacji, aby zmierzyć zmienność 1 części w10 9 (4 rzędy wielkości lepiej niż obecne ograniczenia kwazara). Jednak ograniczenie, które można nałożyć na α, jest silnie zależne od efektywnego czasu całkowania, wynoszącego t 12 . Europejski LOFAR radioteleskop będzie tylko w stanie ograniczyćÆ a-/αdo około 0,3%. Obszar zbierania wymagany do ograniczenia Δ α / α do obecnego poziomu ograniczeń kwazarów jest rzędu 100 kilometrów kwadratowych, co jest obecnie ekonomicznie niewykonalne.

Obecne tempo zmian

W 2008 roku Rosenband i in. wykorzystał stosunek częstotliwości
Glin+
oraz
Hg+
w jednojonowych optycznych zegarach atomowych, aby nałożyć bardzo rygorystyczne ograniczenie na zmienność czasową α w czasie teraźniejszym , a mianowicieα/α = (-1,6 ± 2,3) x 10 -17 rocznie. Należy zauważyć, że jakiekolwiek obecne ograniczenie zerowe dotyczące zmienności czasowej alfa niekoniecznie wyklucza zmienność czasową w przeszłości. Rzeczywiście, niektóre teorie przewidujące zmienną stałą struktury subtelnej przewidują również, że wartość stałej struktury subtelnej powinna zostać praktycznie ustalona, ​​gdy wszechświat wejdzie w obecnąepokę zdominowaną przez ciemną energię .

Zmienność przestrzenna – dipol australijski

We wrześniu 2010 roku naukowcy z Australii poinformowali, że zidentyfikowali strukturę podobną do dipola w zmienności stałej struktury subtelnej w obserwowalnym wszechświecie. Wykorzystali dane o kwazarach uzyskane przez Bardzo Duży Teleskop w połączeniu z wcześniejszymi danymi uzyskanymi przez Webba z teleskopów Kecka . Stała struktury subtelnej wydaje się być większa o jedną część na 100 000 w kierunku konstelacji południowej półkuli Ara , 10 miliardów lat temu. Podobnie stała wydawała się być mniejsza o podobny ułamek w kierunku północnym, 10 miliardów lat temu.

We wrześniu i październiku 2010 roku, po opublikowaniu badań Webba, fizycy Chad Orzel i Sean M. Carroll zasugerowali różne podejścia do tego, jak obserwacje Webba mogą być błędne. Orzel twierdzi, że badanie może zawierać błędne dane z powodu subtelnych różnic w dwóch teleskopach, w których jeden z teleskopów zestaw danych był nieco wysoki, a drugi nieco niski, tak że znoszą się nawzajem, gdy się nakładają. Uważa za podejrzane, że wszystkie źródła wykazujące największe zmiany są obserwowane przez jeden teleskop, przy czym obszar obserwowany przez oba teleskopy jest tak dobrze wyrównany ze źródłami, w których nie obserwuje się żadnego efektu. Carroll zaproponował zupełnie inne podejście; patrzy na stałą struktury subtelnej jako na pole skalarne i twierdzi, że jeśli teleskopy są prawidłowe, a stała struktury subtelnej zmienia się płynnie w całym wszechświecie, to pole skalarne musi mieć bardzo małą masę. Jednak wcześniejsze badania wykazały, że masa prawdopodobnie nie będzie bardzo mała. Obie te wczesne krytyki naukowców wskazują na fakt, że potrzebne są różne techniki, aby potwierdzić lub zaprzeczyć wynikom, co Webb i in. również stwierdzili w swoich badaniach.

W październiku 2011 r. Webb i in. odnotowali zmienność α zależną zarówno od przesunięcia ku czerwieni, jak i kierunku przestrzennego. Podają, że „połączony zestaw danych pasuje do dipola przestrzennego” ze wzrostem α z przesunięciem ku czerwieni w jednym kierunku i spadkiem w drugim. „Niezależne próbki VLT i Kecka dają spójne kierunki dipolów i amplitudy…”

W 2020 roku zespół zweryfikował swoje poprzednie wyniki, znajdując strukturę dipolową w sile siły elektromagnetycznej przy użyciu najdalszych pomiarów kwazarów. Obserwacje kwazara Wszechświata mającego zaledwie 0,8 miliarda lat przy użyciu metody analizy AI zastosowanej w Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) wykazały zmienność przestrzenną preferowaną w stosunku do modelu bez zmienności na poziomie.

Wyjaśnienie antropiczne

Zasada antropiczna jest kontrowersyjnym argumentem, dlaczego stała o drobnej strukturze ma taką samą wartość, jaką ma: materia stabilna, a zatem życie i istoty inteligentne, nie mogłyby istnieć, gdyby jej wartość była bardzo różna. Na przykład, gdyby α zmieniła się o 4%, fuzja gwiazd nie wytworzyłaby węgla , więc życie oparte na węglu byłoby niemożliwe. Gdyby α było większe niż 0,1, fuzja gwiazd byłaby niemożliwa, a żadne miejsce we wszechświecie nie byłoby wystarczająco ciepłe dla życia, jakie znamy.

Wyjaśnienia numerologiczne i teoria multiwersów

Jako bezwymiarowa stała, która nie wydaje się być bezpośrednio powiązana z żadną stałą matematyczną, stała o strukturze subtelnej od dawna fascynuje fizyków.

Arthur Eddington twierdził, że wartość można „otrzymać przez czystą dedukcję” i odniósł ją do liczby Eddingtona , jego oszacowania liczby protonów we wszechświecie. To doprowadziło go w 1929 roku do przypuszczenia, że ​​odwrotność stałej struktury subtelnej nie jest w przybliżeniu, ale dokładnie liczbą całkowitą 137 . Do lat czterdziestych wartości eksperymentalne dla1/α wystarczająco odbiegał od 137, aby obalić argumenty Eddingtona.

Ta subtelna struktura stała się tak zaintrygowana, że ​​fizyk Wolfgang Pauli współpracował z psychoanalitykiem Carlem Jungiem w celu zrozumienia jej znaczenia. Podobnie Max Born uważał, że gdyby wartość α była różna, wszechświat uległby degeneracji, a zatem α =1/137 jest prawem natury.

Richard Feynman , jeden z twórców i wczesnych twórców teorii elektrodynamiki kwantowej (QED), odniósł się do stałej struktury subtelnej w następujący sposób:

Istnieje najgłębsze i najpiękniejsze pytanie związane z zaobserwowaną stałą sprzężenia, e – amplitudą rzeczywistego elektronu, która emituje lub absorbuje rzeczywisty foton. Jest to prosta liczba, która, jak ustalono eksperymentalnie, jest bliska 0,08542455. (Moi przyjaciele fizycy nie rozpoznają tej liczby, ponieważ lubią ją pamiętać jako odwrotność kwadratu: około 137.03597 z niepewnością około 2 w ostatnim miejscu po przecinku. Odkąd odkryto ją ponad pięćdziesiąt lat temu i wszyscy dobrzy fizycy teoretyczni umieścili ten numer na swojej ścianie i martwili się o to.)

Od razu chciałbyś wiedzieć, skąd bierze się ta liczba dla sprzężenia: czy jest związana z pi, czy może z podstawą logarytmów naturalnych? Nikt nie wie. To jedna z największych tajemnic fizyki: magiczna liczba, która przychodzi do nas bez zrozumienia przez ludzi. Można by powiedzieć, że „ręka Boga” napisała ten numer i „nie wiemy, jak nacisnął Swój ołówek”. Wiemy, jaki taniec wykonać eksperymentalnie, aby bardzo dokładnie zmierzyć tę liczbę, ale nie wiemy, jaki taniec wykonać na komputerze, aby ta liczba wyszła – bez wpisywania jej w tajemnicy!

—  Richard P. Feynman (1985). QED: Dziwna teoria światła i materii . Wydawnictwo Uniwersytetu Princeton . P. 129 . Numer ISBN 978-0-691-08388-9.

I odwrotnie, statystyk IJ Good twierdził, że wyjaśnienie numerologiczne byłoby dopuszczalne tylko wtedy, gdyby mogło być oparte na dobrej teorii, która nie jest jeszcze znana, ale „istnieje” w sensie ideału platońskiego .

Próby znalezienia matematycznej podstawy dla tej bezwymiarowej stałej trwają do chwili obecnej. Jednak żadne wyjaśnienie numerologiczne nigdy nie zostało zaakceptowane przez społeczność fizyków.

Teoretyczne wyprowadzenie oparte na unifikacji w przedczasoprzestrzeni, przed-kwantowej teorii w ośmiu wymiarach oktonicznych, podał niedawno Singh.

Na początku XXI wieku wielu fizyków, w tym Stephen Hawking w swojej książce Krótka historia czasu , zaczęło badać ideę wieloświata , a stała struktury subtelnej była jedną z kilku uniwersalnych stałych, które sugerowały ideę dostrojonego wszechświat .

cytaty

Tajemnica α jest w rzeczywistości podwójną zagadką. Pierwsza tajemnica – pochodzenie jej wartości liczbowej α ≈ 1/137 – jest rozpoznawana i dyskutowana od dziesięcioleci. Druga tajemnica – zasięg jej domeny – jest generalnie nierozpoznany.

—  MH MacGregor (2007). Moc Alfa . Światowy Naukowy . P. 69 . Numer ISBN 978-981-256-961-5.

Kiedy umrę, moje pierwsze pytanie do diabła będzie brzmiało: Jakie jest znaczenie stałej struktury subtelnej?

—  Wolfgang Pauli

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki