Введение
Безразмерное число, которое количественно определяет силу электромагнитного взаимодействия. Приблизительное значение α равно 0,0072973525693.
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).
В физике постоянная тонкой структуры, также известная как постоянная Сомерфельда, обычно обозначаемая α (греческая буква альфа), является фундаментальной физической постоянной, которая количественно определяет силу электромагнитного взаимодействия между элементарными заряженными частицами. Это безразмерная величина, независимая от используемой системы единиц, которая связана с силой связи элементарного заряда e с электромагнитным полем формулой. Её числовое значение приблизительно равно , с относительной погрешностью . Название константе дал Арнольд Сомерфельд, который ввел её в 1916 году при расширении модели атома Бора. α количественно определил расщепление в тонкой структуре спектральных линий атома водорода, которое было точно измерено Микельсоном и Морли в 1887 году. Причина, по которой константа имеет именно это значение, не установлена,
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).
где:
e – элементарный заряд;
h – постоянная Планка;
ħ – приведённая постоянная Планка, ħ = h/2π;
c – скорость света;
ε – электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума).
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).
С момента переопределения основных единиц СИ в 2019 году единственной величиной в этом списке, не имеющей точного значения в единицах СИ, является электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума).
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).
Физические интерпретации
Константа тонкой структуры, α, имеет несколько физических интерпретаций. α:
При применении теории возмущений к квантовой электродинамике, получающиеся возмутительные разложения для физических величин представляются в виде степенных рядов по α. Поскольку α значительно меньше единицы, более высокие степени α быстро становятся несущественными, что делает теорию возмущений применимой в данном случае. С другой стороны, большие значения соответствующих коэффициентов в квантовой хромодинамике делают вычисления, связанные с сильным ядерным взаимодействием, чрезвычайно сложными.
Изменение с энергетической шкалой
В квантовой электродинамике, более полной квантовой теории поля, лежащей в основе электромагнитного взаимодействия, группа перенормировки определяет, как сила этого взаимодействия растёт логарифмически с увеличением соответствующего энергетического масштаба. Значение постоянной тонкой структуры α связано с наблюдаемым значением этой связи при энергии, сопоставимой с массой электрона: масса электрона задаёт нижнюю границу для этого энергетического масштаба, поскольку он (и позитрон) является самым лёгкой заряженной частицей, квантовые петли которой вносят вклад в бег связи. Следовательно, α является асимптотическим значением постоянной тонкой структуры при нулевой энергии. При более высоких энергиях, например, при масштабе Z-бозона, около 90 ГэВ, измеряется эффективное значение α ≈ 1/127. С ростом энергетического масштаба сила электромагнитного взаимодействия в Стандартной модели приближается к силе двух других фундаментальных взаимодействий, что важно для теорий великого объединения. Если бы квантовая электродинамика была точной теорией, постоянная тонкой структуры фактически расходилась бы при энергии, известной как полюс Ландау, что ставит под сомнение самосогласованность квантовой электродинамики вне пределов теории возмущений.
Прошлая скорость изменения
Первые экспериментаторы, проверившие, может ли постоянная тонкой структуры действительно изменяться, исследовали спектральные линии далёких астрономических объектов и продукты радиоактивного распада в естественном ядерном реакторе Окло. Их результаты были согласованы с отсутствием изменений в постоянной тонкой структуры между этими двумя существенно разделёнными местоположениями и моментами времени. Улучшение технологий на заре XXI века позволило исследовать значение α на гораздо больших расстояниях и с гораздо большей точностью. В 1999 году команда под руководством Джона К. Вебба из Университета Нового Южного Уэльса заявила о первом обнаружении вариации α. Используя телескопы Кека и набор данных из 128 квазаров при красных смещениях 0,5 < z < 3, Webb et al. обнаружили, что их спектры согласуются с небольшим увеличением α за последние 10–12 миллиардов лет. В частности, они измерили значение в диапазоне от −0,0000047 до −0,0000067. Это очень малое значение, но полосы погрешностей не включают ноль. Этот результат либо указывает на то, что α не является постоянной, либо на наличие неучтённой экспериментальной ошибки. В 2004 году небольшое исследование 23 абсорбционных систем, проведённое Chand et al. с использованием Очень Большого Телескопа, не выявило измеримых изменений:
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.
Однако в 2007 году в методе анализа Chand et al. были обнаружены существенные недостатки, что дискредитировало эти результаты. King et al. использовали методы Монте-Карло на основе цепей Маркова для исследования алгоритма, применяемого группой UNSW для определения α по спектрам квазаров, и обнаружили, что алгоритм, по-видимому, даёт правильные оценки неопределённостей и максимального правдоподобия для α в рамках определённых моделей. Это говорит о надёжности статистических неопределённостей и наилучшей оценки, представленных Webb et al. и Murphy et al. Lamoreaux и Torgerson проанализировали данные естественного ядерного реактора Окло в 2004 году и пришли к выводу, что α изменилась за последние 2 миллиарда лет на 45 частей на миллиард. Они утверждали, что это открытие, вероятно, точно в пределах 20%. Точность зависит от оценок примесей и температуры в естественном реакторе. Эти выводы требуют подтверждения. В 2007 году Khatri и Wandelt из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн обнаружили, что 21-сантиметровый гипертонкий переход в нейтральном водороде ранней Вселенной оставляет уникальный отпечаток линии поглощения в космическом микроволновом фоновом излучении. Они предложили использовать этот эффект для измерения значения α в эпоху, предшествующую образованию первых звёзд. В принципе, эта техника предоставляет достаточно информации для измерения изменения в 1 часть на e=9 (на 4 порядка величины лучше, чем текущие ограничения, полученные на основе квазаров). Однако ограничение, которое можно наложить на α, сильно зависит от эффективного времени интегрирования, при этом европейский радиотелескоп LOFAR смог бы ограничить α лишь до 0,3%. использовали частотное соотношение |Al+ и |Hg+ в одноионных оптических атомных часах, чтобы установить очень жёсткое ограничение на текущее временное изменение α, а именно = 1,6 в год. Следует отметить, что любое современное нулевое ограничение на временное изменение α не обязательно исключает изменение во времени в прошлом. Действительно, некоторые теории, предсказывающие переменную постоянную тонкой структуры, также предсказывают, что значение постоянной тонкой структуры должно стать практически фиксированным, когда Вселенная войдёт в свою нынешнюю эпоху, доминирующую по тёмной энергии.
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.
Антропологическое объяснение
Антропологический принцип – это аргумент, объясняющий, почему постоянная тонкой структуры имеет именно такое значение: стабильное вещество, а значит и жизнь, и разумные существа, не могли бы существовать, если бы её значение сильно отличалось. Например, если современные теории великого объединения верны, то значение α должно находиться в пределах от примерно 1/180 до 1/85, чтобы распад протонов происходил достаточно медленно для возможности существования жизни.
Нумерологические объяснения
Как безразмерная постоянная, которая, по-видимому, не имеет прямой связи с какой-либо математической постоянной, постоянная тонкой структуры давно увлекает физиков. Артур Эддингтон утверждал, что её значение можно "получить посредством чистого вывода" и связал её с числом Эддингтона – его оценкой количества протонов во Вселенной. Это привело его в 1929 году к предположению, что величина, обратная постоянной тонкой структуры, является не приблизительно, а точно целым числом 137. К 1940-м годам экспериментальные значения отклонились от 137 настолько, что опровергли аргументы Эддингтона. Физик Вольфганг Паули заметил появление определенных чисел в физике, включая постоянную тонкой структуры, которая, как он также отметил, близка к простому числу 137. Эта постоянная настолько его заинтриговала, что он сотрудничал с психоаналитиком Карлом Юнгом в поисках понимания её значения. Подобным образом, Макс Борн полагал, что если бы значение α было иным, Вселенная бы деградировала, и, следовательно, α = является законом природы. Напротив, статистик И. Дж. Гуд утверждал, что нумерологическое объяснение было бы приемлемо только в том случае, если бы оно основывалось на хорошей теории, которая пока неизвестна, но "существует" в смысле платоновского идеала. Попытки найти математическую основу для этой безразмерной постоянной продолжаются и по сей день. Однако ни одно нумерологическое объяснение не было принято физическим сообществом. В начале XXI века несколько физиков, включая Стивена Хокинга в своей книге «Краткая история времени», начали исследовать идею мультивселенной, а постоянная тонкой структуры стала одной из нескольких универсальных констант, указывающих на идею тонко настроенной Вселенной.