Кіріспе
Электромагниттік өзара әрекеттесудің күшін сипаттайтын өлшемсіз сан. α шамамен мәні 0,0072973525693. α мәні. Физикада, ұсақ құрылым тұрақтысы, сондай-ақ Зоммерфельд тұрақтысы деп аталатын бұл тұрақты, әдетте α (грек әрпі альфа) арқылы белгіленеді және элементар зарядталған бөлшектер арасындағы электромагниттік өзара әрекеттесудің күшін сипаттайтын негізгі физикалық тұрақты болып табылады. Бұл өлшемсіз шама, қолданылатын бірліктер жүйесіне тәуелсіз, және элементар зарядтың e, электромагниттік өріспен байланысу күшін формула арқылы көрсетеді. Оның сандық мәні шамамен , салыстырмалы белгісіздікпен тең. Бұл тұрақтыны 1916 жылы атомның Бор моделін кеңейту кезінде Арнольд Зоммерфельд атады. α, Микельсон мен Морлидің 1887 жылы дәл өлшеген сутек атомының спектрлік сызықтарының ұсақ құрылымындағы айырманы сипаттайды. Бұл тұрақтының осы мәні неге екені әлі түсініксіз.
Approximate value of α 0.0072973525693 Value of
In physics, the fine structure constant, also known as the Sommerfeld constant, commonly denoted by α (the Greek letter alpha), is a fundamental physical constant which quantifies the strength of the electromagnetic interaction between elementary charged particles. It is a dimensionless quantity, independent of the system of units used, which is related to the strength of the coupling of an elementary charge e with the electromagnetic field, by the formula Its numerical value is approximately , with a relative uncertainty of
The constant was named by Arnold Sommerfeld, who introduced it in 1916 when extending the Bohr model of the atom. α quantified the gap in the fine structure of the spectral lines of the hydrogen atom, which had been measured precisely by Michelson and Morley in 1887. Why the constant should have this value is not understood,
where
e is the elementary charge ;
h is the Planck constant ;
ħ is the reduced Planck constant, 1=ħ = h/2π
c is the speed of light ;
ε is the electric constant
Since the 2019 redefinition of the SI base units, the only quantity in this list that does not have an exact value in SI units is the electric constant (vacuum permittivity).
мұнда:
e – элементар заряд;
h – Планк тұрақтысы;
ħ – Планк тұрақтысының қысқартылған мәні, ħ = h/2π;
c – жарық жылдамдығы;
ε – электр тұрақтысы (вакуумдық диэлектрлік өтімділік).
2019 жылы SI негізгі бірліктерінің жаңа анықтамасынан бері, осы тізімдегі SI бірліктерінде нақты мәні жоқ жалғыз шама – электр тұрақтысы (вакуумдық диэлектрлік өтімділік).
Approximate value of α 0.0072973525693 Value of
In physics, the fine structure constant, also known as the Sommerfeld constant, commonly denoted by α (the Greek letter alpha), is a fundamental physical constant which quantifies the strength of the electromagnetic interaction between elementary charged particles. It is a dimensionless quantity, independent of the system of units used, which is related to the strength of the coupling of an elementary charge e with the electromagnetic field, by the formula Its numerical value is approximately , with a relative uncertainty of
The constant was named by Arnold Sommerfeld, who introduced it in 1916 when extending the Bohr model of the atom. α quantified the gap in the fine structure of the spectral lines of the hydrogen atom, which had been measured precisely by Michelson and Morley in 1887. Why the constant should have this value is not understood,
where
e is the elementary charge ;
h is the Planck constant ;
ħ is the reduced Planck constant, 1=ħ = h/2π
c is the speed of light ;
ε is the electric constant
Since the 2019 redefinition of the SI base units, the only quantity in this list that does not have an exact value in SI units is the electric constant (vacuum permittivity).
Физикалық түсініктер
Нәзік құрылым тұрақтысы, α, бірнеше физикалық түсіндірмеге ие. α:
Кванттық электродинамикаға бұзылу теориясы қолданылғанда, физикалық нәтижелерге қатысты алынатын бұзылу кеңейтулері α-ның қуат қатарлары түрінде беріледі. α бірден әлдеқайда кішкентай болғандықтан, α-ның жоғары дәрежелері тез арада маңыздылығын жояды, бұл жағдайда бұзылу теориясын қолдануға мүмкіндік береді. Алайда, кванттық хромодинамикадағы сәйкес коэффициенттердің үлкен мәні күшті ядролық күштерді есептеуді өте қиын жасайды.
Энергия шкаласының өзгеруі
Кванттық электродинамикада, электромагниттік байланыстың негізінде жатқан кванттық өріс теориясы, қайта нормалау тобы электромагниттік өзара әрекеттесу күшінің тиісті энергия шкаласы өскен сайын логарифмдік түрде қалай өсетінін анықтайды. Құрылым тұрақтысы α-ның мәні, электрон массасының энергия шкаласына сәйкес келетін осы байланыстың байқалатын мәнімен байланысты: электрон массасы осы энергия шкаласының ең төменгі шегін анықтайды, себебі ол (және позитрон) кванттық контурларының өсуіне үлес қосатын ең жеңіл зарядталған нысан. Сондықтан, α – нөлдік энергиядағы құрылым тұрақтысының асимптотикалық мәні. Жоғары энергияларда, мысалы, Z бозонының шамамен 90 ГэВ-қа тең шкаласында, тиімді α ≈ 1/127 шамасы өлшенеді. Энергия шкаласы жоғарылаған сайын, Стандартты модельдегі электромагниттік өзара әрекеттесу күші қалған екі негізгі өзара әрекеттесу күшіне жақымдасады, бұл біріктірілген теориялар үшін маңызды ерекшелік. Егер кванттық электродинамика нақты теория болса, онда құрылым тұрақтысы Ландау полюсі деп аталатын энергияда шексіздікке дейін өсер еді – бұл факт кванттық электродинамиканың бұрыштық кеңеюден тыс тұрақтылығына нұқсан келтіреді.
Өткендегі өзгеру қарқыны
Ұсақ құрылым тұрақтысының өзгеру мүмкіндігін тексеру үшін алғашқы экспериментаторлар алыс астрономиялық нысандардың спектрлік сызықтарын және Окло табиғи ядролық бөліну реакторындағы радиоактивті ыдырау өнімдерін зерттеді. Олардың тұжырымдары осы екі кеңінен бөлінген жерлер мен уақыт аралығында ұсақ құрылым тұрақтысының өзгермеуіне сәйкес келді. ХХІ ғасырдың басында жетілдірілген технология α-ның мәнін әлдеқайда үлкен қашықтықтан және әлдеқайда үлкен дәлдіктен тексеруге мүмкіндік берді. 1999 жылы Жаңа Оңтүстік Уэльс университетінің Джон К. Вебб бастаған тобы α-дағы өзгерісті алғаш рет анықтады. Кек телескоптары мен қызыл ауытқулары 0,5 < z < 3 аралығындағы 128 квазардың деректерін пайдаланған Вебб және авторлар тобы олардың спектрлерінің соңғы 10–12 миллиард жыл ішінде α-ның аздап артуымен сәйкес келетінін анықтады. Нақтырақ айтқанда, олар мәнді -0,0000047 мен -0,0000067 аралығында өлшеді. Бұл өте кішкентай мән, бірақ қателік жолақтарында нөл жоқ. Бұл нәтиже α тұрақты емес немесе эксперименттік қателік бар екенін көрсетеді. 2004 жылы Чанд және авторлар тобы өте үлкен телескопты қолдана отырып, 23 сіңіру жүйесін зерттеуде өлшенетін ауытқушылықты таппады. Дегенмен, 2007 жылы Чанд және авторлардың талдау әдісінде қарапайым кемшіліктер анықталды, бұл нәтижелерді күмәнге ұшыратты. Кинг және авторлар тобы Марковтың Монте-Карло тізбекті әдістерін қолданып, UNSW тобының квазар спектрлерінен α-ны анықтау үшін қолданған алгоритмін зерттеді және алгоритм нақты модельдер үшін дұрыс белгісіздіктер мен ең жоғары ықтималдықты бағалауды шығаратынын анықтады. Бұл Вебб және авторлар, сондай-ақ Мёрфи және авторлар айтқан статистикалық белгісіздіктер мен ең жақсы бағалаудың сенімді екенін көрсетеді. Ламорео мен Торгерсон 2004 жылы Окло табиғи ядролық бөліну реакторынан алынған деректерді талдап, α соңғы 2 миллиард жылда 45 миллиард бөлікке өзгерді деген қорытындыға келді. Олар бұл нәтиже "әлбетте 20% -ға дәл" деп мәлімдеді. Дұрыстығы табиғи реактордағы қоспалар мен температураның шамаларына байланысты. Бұл қорытындыларды тексеру қажет. 2007 жылы Иллинойс университеті Урбана Шампейннің Хатри мен Ванделт 21 см гипержиілік өтудің ерте ғаламның бейтарап сутегіне кіретінін, ғаламдық микротолқындық фондық сәулеленуде бірегей сіңіру сызығының таңбасын қалдыратынын түсіндірді. Олар осы әсерді алғашқы жұлдыздардың пайда болуына дейінгі кезеңдегі α-ның мәнін өлшеу үшін пайдалануды ұсынды. Бұл әдіс принципінде e=9 шамасындағы 1 бөлік өзгерісті өлшеу үшін жеткілікті ақпарат береді (қазіргі квазарлық шектеулерден 4 есе жақсы). Алайда α-ға қойылатын шектеу тиімді интеграциялық уақытқа қатты байланысты, өйткені Еуропалық LOFAR радиотелескопы тек 0,3% -ға дейін ғана шектей алады. А.А. және А.Г. бір ионды оптикалық атомдық сағаттардағы |Al+ және |Hg+ жиіліктерінің қатынасын пайдаланып, α-ның қазіргі уақыт аралық өзгеруіне өте қатаң шектеу қойды, атап айтқанда, жылына = 1,6. Альфаның уақыт өзгеруіне қазіргі кездегі нөлдік шектеу, өткендегі уақыт өзгеруін міндетті түрде жоққа шығармайды. Шынында да, айнымалы ұсақ құрылым тұрақтысын болжайтын кейбір теориялар, ғалам қазіргі қара энергия үстемдік еткен эпохаға кіргеннен кейін ұсақ құрылым тұрақтысының мәні іс жүзінде өз мәніне бекітілуі керек деп болжайды.
In other words, they measured the value to be somewhere between −0.0000047 and −0.0000067. This is a very small value, but the error bars do not actually include zero. This result either indicates that α is not constant or that there is experimental error unaccounted for. In 2004, a smaller study of 23 absorption systems by Chand et al., using the Very Large Telescope, found no measurable variation:
However, in 2007 simple flaws were identified in the analysis method of Chand et al., discrediting those results. King et al. have used Markov chain Monte Carlo methods to investigate the algorithm used by the UNSW group to determine from the quasar spectra, and have found that the algorithm appears to produce correct uncertainties and maximum likelihood estimates for for particular models. This suggests that the statistical uncertainties and best estimate for stated by Webb et al. and Murphy et al. are robust. Lamoreaux and Torgerson analyzed data from the Oklo natural nuclear fission reactor in 2004, and concluded that α has changed in the past 2 billion years by 45 parts per billion. They claimed that this finding was "probably accurate to within 20%". Accuracy is dependent on estimates of impurities and temperature in the natural reactor. These conclusions have to be verified. In 2007, Khatri and Wandelt of the University of Illinois at Urbana Champaign realized that the 21 cm hyperfine transition in neutral hydrogen of the early universe leaves a unique absorption line imprint in the cosmic microwave background radiation. They proposed using this effect to measure the value of α during the epoch before the formation of the first stars. In principle, this technique provides enough information to measure a variation of 1 part in e=9 (4 orders of magnitude better than the current quasar constraints). However, the constraint which can be placed on α is strongly dependent upon effective integration time, going as The European LOFAR radio telescope would only be able to constrain to about 0.3%. used the frequency ratio of |Al+ and |Hg+ in single ion optical atomic clocks to place a very stringent constraint on the present time temporal variation of α, namely = 1.6 per year. Note that any present day null constraint on the time variation of alpha does not necessarily rule out time variation in the past. Indeed, some theories
that predict a variable fine structure constant also predict that the value of the fine structure constant should become practically fixed in its value once the universe enters its current dark energy dominated epoch.
Антропологиялық түсіндірме
Антрополық принцип – бұл тұрақты материяның, демек өмір мен саналы тіршілік жаратылуы үшін ұсақ құрылым тұрақтысының қазіргі мәні неге осылай болуы керек екені туралы аргумент: оның мәні өте басқаша болғанда бұл мүмкін емес еді. Мысалы, егер қазіргі заманғы біріктірілген теориялар дұрыс болса, онда α шамамен 1/180 және 1/85 аралығында болуы тиіс, себебі протонның ыдырауы өмірдің пайда болуы үшін жеткілікті баяу болуы керек.
Нумерологиялық түсіндірме
Математикалық тұрақтыға тікелей қатысы жоқ өлшемсіз тұрақты ретінде, ұсақ құрылым тұрақтысы физиктерді ұзақ жылдар бойы қызықтырып келді. Артур Эддингтон бұл мәнді "таза дедукция арқылы алуға болады" деп санайды және оны Эддингтон санымен байланыстырды, ол ғаламдағы протондардың санын бағалау болып табылады. Осыдан 1929 жылы ол ұсақ құрылым тұрақтысының кері шамасы 137 бүтін санына тең емес, дәл сол санға тең деген болжам жасады. 1940 жылдары эксперименттік мәндер 137-ден Эддингтонның аргументтерін жоққа шығару үшін жеткілікті дәрежеде ауытқыды. Физик Вольфганг Паули физикадағы кейбір сандардың пайда болуы туралы пікір білдірді, оның ішінде ұсақ құрылым тұрақтысы да бар, ол 137 жай санына жуық екенін атап өтті. Бұл тұрақты оны соншалықты қызықтырды, ол психоаналитик Карл Юнгпен оның мағынасын түсіну үшін бірлесіп жұмыс істеді. Сол сияқты, Макс Борн α мәні өзгеше болса, ғаламның құлдырауы мүмкін деп сенді, сондықтан α = табиғат заңы. Керісінше, статистик И. Дж. Гуд сандық түсіндірме тек қана жақсы теорияға негізделген жағдайда ғана қабылдануы керек деп мәлімдеді, бұл теория әлі белгілі емес, бірақ Платондық Идеал мағынасында "бар" болуы тиіс. Осы өлшемсіз тұрақтының математикалық негізін табуға жасалған әрекеттер қазірге дейін жалғасып келеді. Дегенмен, физикалық қауымдастық ешқашан сандық түсіндірмені қабылдаған емес. 21-ші ғасырдың басында, Стивен Хокингтің "Уақыттың қысқаша тарихы" кітабында сияқты, көптеген физиктер көп ғалам идеясын зерттей бастады, ал ұсақ құрылым тұрақтысы – жақсы реттелген ғалам идеясын ұсынған бірнеше әмбебап тұрақтылардың бірі болды.