Постоянная тонкой структуры

Постоянная тонкой структуры , обычно обозначаемая как α, является фундаментальной физической постоянной, характеризующей силу электромагнитного взаимодействия. Впервые она была описана в 1916 г. немецким физиком Арнольдом Зоммерфельдом в качестве меры релятивистских поправок при описании атомных спектральных линий в рамках модели атома Бора.

Постоянная тонкой структуры — это безразмерная величина и её численное значение не зависит от выбранной системы единиц. В настоящий момент рекомендуется использовать следующее значение:

\alpha=7,297352568(24) \times 10^{-3}=\frac{1}{137,03599911(46)}.

Она может быть также определена как:

\alpha=\frac{e^2}{\hbar\,c4\pi\varepsilon_0}=\frac{e^2}{2\varepsilon_0hc},

где eэлементарный электрический заряд,

\hbar=h/2\pi — постоянная Планка,
cскорость света в вакууме,
\varepsilon_0 — электрическая постоянная.

В системе единиц СГСЭ единица электрического заряда определена таким образом, что электрическая постоянная равна единице. Тогда постоянная тонкой структуры определяется как:

\alpha=\frac{e^2}{\hbar c}.

Также постоянная тонкой структуры может быть определена как отношение элементарного электрического заряда к планковскому заряду.

\alpha=\left(\frac{e}{q_p}\right)^2.

Содержание

Физическая интерпретация

Постоянная тонкой структуры является отношением двух энергий: 1. энергии, необходимой, чтобы сблизить два электрона с бесконечности до некоторого расстояния s, и 2. энергии фотона с длиной волны 2πs.

Исторически первой интерпретацией постоянной тонкой структуры было отношение скорости электрона на первой круговой орбите в Боровской модели атома к скорости света. Это отношение возникло в работах Зоммерфельда и определяет величину тонкого расщепления водородоподобных спектральных линий.

В квантовой электродинамике постоянная тонкой структуры имеет значение константы взаимодействия, характеризующей силу взаимодействия между электрическими зарядами и фотонами. Её значение не может быть предсказано теоретически и вводится на основе экспериментальных данных. Постоянная тонкой структуры является одним из двадцати странных «внешних параметров» стандартной модели в физике элементарных частиц.

Тот факт, что α много меньше единицы, позволяет использовать в квантовой электродинамике теорию возмущений. Физические результаты в этой теории представлены в виде ряда по степеням α, причём члены с возрастающими степенями α становятся менее и менее важными. И наоборот, большая константа взаимодействия в квантовой хромодинамике делает вычисления с учётом сильного взаимодействия чрезвычайно сложными.

В теории электрослабого взаимодействия показывается, что значение постоянной тонкой структуры (сила электромагнитного взаимодействия) зависит от характерной энергии рассматриваемого процесса. Утверждается, что постоянная тонкой структуры логарифмически растёт с увеличением энергии. Наблюдаемое значение постоянной тонкой структуры верно при энергиях порядка массы электрона. Характерная энергия не может принимать более низкие значения, т.к. электрон (как и позитрон) обладает самой маленькой массой среди заряженных частиц. Поэтому говорят, что 1/137,036 — это значение постоянной тонкой структуры при нулевой энергии. Кроме того, тот факт, что по мере повышения характерных энергий электромагнитное взаимодействие приближается по силе к двум другим взаимодействиям, важен для теорий великого объединения.

Если бы предсказания квантовой электродинамики были верны, то постоянная тонкой структуры принимала бы бесконечно большое значение при значении энергии, известном как полюс Ландау. Это ограничивает область применения квантовой электродинамики только областью применимости теории возмущений.

Насколько постоянна постоянная тонкой структуры?

Физики всегда интересовались, действительно ли постоянная тонкой структуры является постоянной, т.е. всегда ли она имела такое значение за время существования вселенной. Некоторые теории считают, что это не так. Первые экспериментальные проверки этого вопроса, среди которых наиболее интересны исследования спектральных линий далёких звёзд и исследования природного ядерного реактора в Окло, не выявили каких-либо изменений в постоянной тонкой структуры.

Усовершенствования в методиках астрономических наблюдений дали основание считать, что α, возможно, меняла своё значение с течением времени (см. (1) (англ.)). Однако более детальные наблюдения квазаров, сделанные в апреле 2004 г. при помощи спектрографа UVES на Kueyen — одном из 8,2-метровых телескопов очень большого телескопа Европейской Южной обсерватории в г. Паранале (Чили), показали, что возможное изменение α не может быть больше, чем 0,6 миллионной доли (6×10—7) за последние десять миллиардов лет (см. Пресс-сообщение ESO или (2)). Поскольку это ограничение противоречит более ранним результатам, то вопрос о том, постоянна ли α, считается открытым.

Антропоцентрическое объяснение

Одно из объяснений величины постоянной тонкой структуры включает в себя антропный принцип и гласит, что значение постоянной тонкой структуры имеет именно такое значение, потому что иначе было бы невозможным существование стабильной материи и, следовательно, жизнь и разумные существа не смогли бы возникнуть, если бы величина α была иной. Например, известно, что будь α всего на 4% больше, производство углерода внутри звёзд было бы невозможным. Если бы α была больше, чем 0,1, то внутри звёзд не смогли бы протекать процессы термоядерного синтеза.

Нумерологическое объяснение

Постоянная тонкой структуры, являясь безразмерной величиной, которая никак не соотносится ни с какой из известных математических констант, всегда являлась объектом восхищения для физиков. Ричард Фейнман, один из основателей квантовой электродинамики, называл её «одной из величайших проклятых тайн физики: магическое число, которое приходит к нам без какого-либо понимания его человеком». Под конец своей жизни другой физик — Артур Эддингтон — сконструировал нумерологическое «доказательство», что 1/α является точным целым числом, и даже соотносил его с числом Эддингтона, которое оценивает число электронов во вселенной. Эксперименты, проведенные позднее, показали, что 1/α не является целым числом.

Похожим образом математик Джэймс Гилсон предложил, что постоянная тонкой структуры может быть математически, с большой степенью точности, определена как

\alpha = \frac{\cos \left(\pi/137 \right)}{137} \ \frac{\tan \left(\pi/(137 \cdot 29) \right)}{\pi/(137 \cdot 29)} \approx 1/137.0359997867.

29 и 137 являются, соответственно, 10-м и 33-м простыми числами. До данных 2002 года это значение лежало в пределах ошибок измерений α. В настоящий момент оно отличается на 1,7 стандартного отклонения экспериментальных данных, что делает данное значение возможным, но маловероятным.

Другим выражением, которое с высокой степенью точности воспроизводит постоянную тонкой структуры, является

- \ln \cos {1 / \alpha} \approx 1

Но это уравнение тоже не точное:

- \ln \cos {1 / \alpha} \approx 1,000042(11)

См. также

  • константа взаимодействия

Ссылки

 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home