Постоянная тонкой структуры
-
Постоянная тонкой структуры
- Фундаментальная физическая константа, определяющая силу электромагнитного взаимодействия
- Безразмерная величина, связанная с элементарным зарядом и электромагнитным полем
- Числовое значение: 0,0072973525643
-
История и определение
- Введена Арнольдом Зоммерфельдом в 1916 году
- Определяет разрыв в тонкой структуре спектральных линий атома водорода
- Определяется через элементарный заряд, постоянную Планка, скорость света и электрическую постоянную
-
Альтернативные системы единиц
- В системе CGS: α = e2/ℏc
- В безразмерной системе: α = e2/4π
- В системе атомных единиц: α = 1/c
-
Измерение и точность
- Рекомендуемое CODATA значение: 1,6×10-10
- Измеряется различными методами, включая квантовый эффект Холла и аномальный магнитный момент электрона
- Наиболее точное значение: 1,1×10-10, получено с использованием квантового циклотрона
-
Физические интерпретации
- Энергия, необходимая для преодоления электростатического отталкивания
- Энергия одиночного фотона
- Отношение скорости электрона на первой круговой орбите к скорости света
- Соотношение между энергией Хартри и энергией покоя электрона
- Соотношение между потенциальной энергией электрона и энергией покоя
-
Квантовая электродинамика и электрослабая теория
- α связано с константой связи в квантовой электродинамике
- В электрослабой теории α поглощается другими константами связи
- Электромагнитное взаимодействие рассматривается как смесь взаимодействий, связанных с электрослабыми полями
-
Применение в электротехнике и физике твердого тела
- α составляет одну четвертую произведения характеристического сопротивления свободного пространства и кванта проводимости
-
Постоянная тонкой структуры и её значение
- Постоянная тонкой структуры (α) связана с оптической проводимостью графена и его свойствами поглощения и пропускания света.
- α определяет максимальный положительный заряд атомного ядра, обеспечивающий стабильную орбиту электрона.
- В квантовой электродинамике α связана с энергетической шкалой массы электрона и изменяется с увеличением энергии.
-
История и развитие
- Арнольд Зоммерфельд ввел термин для α в 1916 году.
- Поль Дирак вывел линейное релятивистское волновое уравнение в 1928 году, что расширило значение α.
- С развитием квантовой электродинамики α стало общей константой связи для электромагнитного поля.
-
Потенциальное изменение α
- Физики размышляли о том, является ли α постоянной величиной или зависит от местоположения и времени.
- В 1999 году Джон К. Уэбб заявил о первом обнаружении вариации в α, но последующие исследования не подтвердили это.
- В 2004 году Чанд и соавторы не выявили изменений, но позже были выявлены недостатки в их методе.
-
Текущие исследования
- В 2007 году Хатри и Ванделт предложили использовать сверхтонкий переход в нейтральном водороде для измерения α в ранней Вселенной.
- Европейский радиотелескоп LOFAR смог бы ограничить Δα/α до 0,3%, что экономически неосуществимо.
- В 2008 году Розенбанд и др. не обнаружили изменений в α.
-
Ограничения на изменение α
- Использовано соотношение частот Al+ и Hg+ для наложения строгих ограничений на изменение α.
- Текущее нулевое ограничение не исключает изменения в прошлом.
-
Пространственная вариация
- Исследователи из Австралии заявили о выявлении изменения α во всей наблюдаемой Вселенной.
- Результаты не были воспроизведены другими исследователями.
-
Антропное объяснение
- Антропный принцип утверждает, что стабильная материя и жизнь невозможны без определенного значения α.
- Современные теории великого объединения предсказывают значение α от 1/180 до 1/85 для медленного распада протона.
-
Нумерологические объяснения
- Артур Эддингтон связывал α с числом Эддингтона и предполагал, что 1/α равно 137.
- Вольфганг Паули и Макс Борн также связывали α с числом 137.
- Ричард Фейнман считал α магическим числом, которое приходит без понимания.
-
Современные исследования
- В начале 21 века физики начали исследовать идею мультивселенной и α как универсальную константу.
- Значение 1/137 является асимптотическим, а не точным.
- Тайна α остается двойной: происхождение числа и пределы его распространения.