Konstanta jemné struktury - Fine-structure constant
v fyzika, konstanta jemné struktury, také známý jako Sommerfeldova konstanta, běžně označované α (dále jen Řecký dopis alfa ), je základní fyzikální konstanta který kvantifikuje sílu elektromagnetická interakce mezi elementárními nabitými částicemi. Je to bezrozměrné množství související s základní náboj E, což označuje sílu vazby elementární nabité částice s elektromagnetické pole podle vzorce 4πε0ħcα = E2. Jako bezrozměrné množství, své číselná hodnota, přibližně 1/137, je nezávislý na soustava jednotek použitý.
I když jich je více fyzické interpretace pro α, dostalo své jméno od Arnold Sommerfeld, který ji představil v roce 1916[1], při rozšiřování Bohrův model atomu. α kvantifikuje mezeru v jemná struktura z spektrální čáry atomu vodíku, který byl přesně změřen pomocí Michelson a Morley v roce 1887.[2]
Definice
Některé ekvivalentní definice α z hlediska dalších základních fyzikální konstanty jsou:
kde:
- E je základní náboj (= 1.602176634×10−19 C);
- π je matematická konstanta pi;
- h je Planckova konstanta (= 6.62607015×10−34 J⋅s);
- ħ = h/2π je snížená Planckova konstanta (= 6.62607015×10−34 J⋅s/2π);
- C je rychlost světla ve vakuu (= 299792458 slečna);
- ε0 je elektrická konstanta nebo permitivita ve vakuu (nebo ve volném prostoru);
- µ0 je magnetická konstanta nebo propustnost ve vakuu (nebo volný prostor);
- kE je Coulombova konstanta;
- RK. je von Klitzingova konstanta;
- Z0 je vakuová impedance nebo impedance ve volném prostoru.
Když ostatní konstanty (C, h a E) mají definované hodnoty, definice odráží vztah mezi α a propustnost volného prostoru µ0, což se rovná µ0 = 2hα/ce2.V Předefinování základních jednotek SI v roce 2019, 4π × 1.00000000082(20)×10−7 H⋅m−1 je hodnota pro µ0 na základě přesnějších měření konstanty jemné struktury.[3][4][5]
V jednotkách jiných než SI
V elektrostatickém stavu cgs jednotky, jednotka elektrický náboj, statcoulomb, je definován tak, že Coulombova konstanta, kE, nebo faktor permitivity, 4πε0, je 1 a bezrozměrný. Pak se stane výraz konstanty jemné struktury, jak se běžně vyskytuje ve starší literatuře fyziky
v přirozené jednotky, běžně používaný ve fyzice vysokých energií, kde ε0 = C = ħ = 1, hodnota konstanty jemné struktury je[6]
Konstanta jemné struktury jako taková je jen dalším, i když bezrozměrným, množstvím určujícím (nebo určovaným) základní náboj: E = √4πα ≈ 0.30282212 z hlediska takové přirozené jednotky poplatků.
v Atomové jednotky Hartree (E = mE = ħ = 1 a ε0 = 1/4π), konstanta jemné struktury je
Měření

2018 KODATA doporučená hodnota α je[7]
- α = E2/4πε0.c = 0.0072973525693(11).
To má relativní standardní nejistotu 0,15části na miliardu.[7]
Tato hodnota pro α dává µ0 = 4π × 1.00000000054(15)×10−7 H⋅m−1, 3,6 standardní odchylky od své staré definované hodnoty, ale průměr se liší od staré hodnoty pouze o 0,54části na miliardu.
Z důvodu pohodlí historicky hodnota reciproční konstanty jemné struktury je často specifikováno. Doporučená hodnota CODATA pro rok 2018 je dána vztahem[8]
- α−1 = 137.035999084(21).
Zatímco hodnota α může být odhadovaný z hodnot konstant, které se objevují v některé z jejích definic, teorie kvantová elektrodynamika (QED) poskytuje způsob měření α přímo pomocí kvantový Hallův jev nebo anomální magnetický moment z elektron. Mezi další metody patří AC Josephsonův efekt a zpětný ráz fotonu v atomové interferometrii.[9] Existuje obecná shoda ohledně hodnoty α, měřeno těmito různými metodami. Preferovanými metodami v roce 2019 jsou měření elektronově anomálních magnetických momentů a zpětného rázu fotonu v atomové interferometrii.[9] Teorie QED předpovídá vztah mezi bezrozměrný magnetický moment z elektron a konstanta jemné struktury α (magnetický moment elektronu se také označuje jako „Landé G-faktor "a symbolizováno jako G). Nejpřesnější hodnota α získané experimentálně (od roku 2012) je založeno na měření G pomocí přístroje s jedním elektronem, tzv. „kvantového cyklotronu“, společně s výpočtem pomocí teorie QED, která zahrnovala 12672 desátý řád Feynmanovy diagramy:[10]
- α−1 = 137.035999174(35).
Toto měření α má relativní standardní nejistotu 2.5×10−10. Tato hodnota a nejistota jsou přibližně stejné jako nejnovější experimentální výsledky.[11] Další upřesnění této práce bylo zveřejněno do konce roku 2020, což dává hodnotu
- α−1 = 137.035999206(11).
s relativní přesností 81 dílů na bilion.[12]
Fyzikální interpretace
Konstanta jemné struktury, α, má několik fyzických interpretací. α je:
- Poměr dvou energií: (i) energie potřebná k překonání elektrostatické odpuzování mezi dvěma elektrony vzdálenost d odděleně, a (ii) energii jednotlivce foton vlnové délky λ = 2πd (nebo z úhlová vlnová délka d; vidět Planckův vztah ):
- Poměr rychlosti elektronu na první kruhové oběžné dráze Bohrův model atomu, který je 1/4πε0 E2/ħ, do rychlost světla ve vakuu, C.[13] Tohle je Sommerfeld původní fyzikální interpretace. Pak čtverec α je poměr mezi Hartreeova energie (27,2 eV = dvojnásobek Rydbergova energie = přibližně dvojnásobek jeho ionizační energie) a elektron klidová energie (511 keV).
- Dva poměry tří charakteristických délek: klasický elektronový poloměr rE, Comptonova vlnová délka elektronu λEa Bohrův poloměr A0:
- v kvantová elektrodynamika, α přímo souvisí s vazební konstanta stanovení síly interakce mezi elektrony a fotony.[14] Teorie nepředpovídá jeho hodnotu. Proto, α musí být stanoveno experimentálně. Ve skutečnosti, α je jedním z empirických parametry ve standardním modelu z částicová fyzika, jehož hodnota není stanovena ve standardním modelu.
- V elektroslabá teorie sjednocující slabá interakce s elektromagnetismus, α se vstřebává do dvou dalších vazebné konstanty spojené s elektroslabým rozchod polí. V této teorii je elektromagnetická interakce je považováno za směs interakcí spojených s elektroslabými poli. Síla elektromagnetická interakce se mění v závislosti na síle energie pole.
- V polích elektrotechnika a fyzika pevných látek, konstanta jemné struktury je jednou čtvrtinou produktu charakteristiky impedance volného prostoru, Z0 = μ0Ca vodivost kvantová, G0 = 2E2/h:
- .
- The optická vodivost z grafen pro viditelné frekvence je teoreticky dáno vztahem πG0/4, a v důsledku toho mohou být jeho vlastnosti absorpce a přenosu světla vyjádřeny samotnými konstantami jemné struktury.[15] Hodnota absorpce pro normálně dopadající světlo na grafen ve vakuu by pak byla dána vztahem πα/(1 + πα/2)2 nebo 2,24% a přenos o 1/(1 + πα/2)2 nebo 97,75% (experimentálně pozorováno mezi 97,6% a 97,8%).
- Konstanta jemné struktury poskytuje maximální kladný náboj atomového jádra, který umožní stabilní elektronovou oběžnou dráhu kolem ní v rámci Bohrova modelu (prvek feynmanium ).[16] Pro elektron obíhající kolem atomového jádra s atomovým číslem Z, mv2/r = 1/4πε0 Ze2/r2. Heisenberg princip nejistoty vztah nejistoty hybnosti / polohy takového elektronu je spravedlivý mvr = ħ. Relativistická mezní hodnota pro proti je C, a tedy limitní hodnota pro Z je převrácená hodnota konstanty jemné struktury, 137.[17]
- Magnetický moment elektronu naznačuje, že náboj cirkuluje v poloměru rQ s rychlostí světla.[18] Generuje radiační energii mEC2 a má moment hybnosti L = 1 ħ = rQmEC. Energie pole stacionárního Coulombova pole je mEC2 = E2/4πε0rE a definuje klasický poloměr elektronu rE. Tyto hodnoty byly vloženy do definice alfa výnosů α = rE/rQ. Porovnává dynamickou strukturu elektronu s klasickým statickým předpokladem.
- Alfa souvisí s pravděpodobností, že elektron vydá nebo absorbuje foton.[19]
- Vzhledem k tomu, že každá má dvě hypotetické bodové částice Planckova hmotnost a základní náboj, oddělené jakoukoli vzdáleností, α je poměr jejich elektrostatické odpudivé síly k jejich gravitační atraktivní síle.
- Druhá mocnina poměru základní náboj do Planckův náboj
Když teorie poruch se vztahuje na kvantová elektrodynamika, výsledný rušivé expanze pro fyzické výsledky jsou vyjádřeny jako sady výkonová řada v α. Protože α je mnohem menší než jedna, vyšší síly α jsou brzy nedůležité, takže teorie poruch je v tomto případě praktická. Na druhou stranu velká hodnota odpovídajících faktorů v kvantová chromodynamika provádí výpočty zahrnující silná jaderná síla velmi obtížné.
Variace s energetickou stupnicí
v kvantová elektrodynamika čím důkladnější teorie kvantového pole, která je základem elektromagnetické vazby, renormalizační skupina diktuje, jak roste síla elektromagnetické interakce logaritmicky jako relevantní energetická stupnice zvyšuje. Hodnota konstanty jemné struktury α je spojeno s pozorovanou hodnotou této vazby spojené s energetickou stupnicí elektronová hmotnost: elektron je dolní mez pro toto energetické měřítko, protože on (a pozitron ) je nejlehčí nabitý objekt, jehož kvantové smyčky může přispět k chodu. Proto, 1/137.036 je asymptotická hodnota konstanty jemné struktury při nulové energii. Při vyšších energiích, jako je například rozsah Z boson, asi 90GeV, jeden opatření[Citace je zapotřebí ] an efektivní α ≈ 1/127, namísto.
Jak se stupnice energie zvyšuje, síla elektromagnetické interakce v Standardní model se blíží tomu z ostatních dvou základní interakce, funkce důležitá pro velké sjednocení teorie. Pokud by kvantová elektrodynamika byla přesnou teorií, konstanta jemné struktury by se ve skutečnosti rozcházela s energií známou jako Landauův pól —To skutečnost podkopává konzistenci kvantové elektrodynamiky i mimo ni rušivé expanze.
Dějiny

Na základě přesného měření spektra atomů vodíku pomocí Michelson a Morley v roce 1887,[20] Arnold Sommerfeld prodloužil Bohrův model zahrnout eliptické dráhy a relativistickou závislost hmotnosti na rychlosti. V roce 1916 zavedl termín pro konstantu jemné struktury.[21] První fyzikální interpretace konstanty jemné struktury α byl jako poměr rychlosti elektronu na první kruhové dráze relativistické Bohrův atom do rychlost světla ve vakuu.[22] Ekvivalentně to byl kvocient mezi minimem moment hybnosti dovoleno relativitou pro uzavřenou oběžnou dráhu a minimální moment hybnosti povolený kvantovou mechanikou. Přirozeně se to objevuje v Sommerfeldově analýze a určuje velikost štěpení nebo jemná struktura vodíku spektrální čáry. Tato konstanta nebyla považována za významnou, dokud lineární relativistická vlnová rovnice Paula Diraca v roce 1928 neposkytla přesný vzorec jemné struktury.[23]:407
S rozvojem kvantová elektrodynamika (QED) se význam α rozšířil ze spektroskopického jevu na obecnou vazebnou konstantu pro elektromagnetické pole určující sílu interakce mezi elektrony a fotony. Termín α/2π je vyryto na náhrobku jednoho z průkopníků QED, Julian Schwinger, s odkazem na jeho výpočet anomální magnetický dipólový moment.
Historie měření
datum | α | 1 / α | Zdroje) |
---|---|---|---|
1969 červenec | 0.007297351(11) | 137.03602(21) | CODATA 1969 |
1973 | 0.0072973461(81) | 137.03612(15) | CODATA 1973 |
1987 Jan | 0.00729735308(33) | 137.0359895(61) | CODATA 1986 |
1998 | 0.007297352582(27) | 137.03599883(51) | Kinoshita |
2000 duben | 0.007297352533(27) | 137.03599976(50) | CODATA 1998 |
2002 | 0.007297352568(24) | 137.03599911(46) | CODATA 2002 |
2007 červenec | 0.0072973525700(52) | 137.035999070(98) | Gabrielse 2007 |
2008 2. června | 0.0072973525376(50) | 137.035999679(94) | CODATA 2006 |
2008 červenec | 0.0072973525692(27) | 137.035999084(51) | Gabrielse 2008, Hanneke 2008 |
2010 prosinec | 0.0072973525717(48) | 137.035999037(91) | Bouchendira 2010 |
2011 červen | 0.0072973525698(24) | 137.035999074(44) | CODATA 2010 |
2015 25. června | 0.0072973525664(17) | 137.035999139(31) | CODATA 2014 |
2017 10. července | 0.0072973525657(18) | 137.035999150(33) | Aoyama a kol. 2017[25] |
2018 12. prosince | 0.0072973525713(14) | 137.035999046(27) | Parker a kol. 2018[4] |
2019 20. května | 0.0072973525693(11) | 137.035999084(21) | CODATA 2018 |
2020 2. prosince | 0.0072973525628(6) | 137.035999206(11) | Morel a kol. 2020[26] |
Hodnoty CODATA ve výše uvedené tabulce se počítají zprůměrováním jiných měření; nejsou to nezávislé experimenty.
Je konstanta jemné struktury ve skutečnosti konstantní?
Fyzici přemýšleli, zda je konstanta jemné struktury ve skutečnosti konstantní, nebo zda se její hodnota liší podle místa a v čase. Různé α byl navržen jako způsob řešení problémů v kosmologie a astrofyzika.[27][28][29][30] Teorie strun a další návrhy na překročení EU Standardní model částicové fyziky vedly k teoretickému zájmu o to, zda je přijato fyzikální konstanty (ne jen α) se ve skutečnosti liší.
V experimentech níže Δα představuje změnu v α v průběhu času, kterou lze vypočítat pomocí αpředchozí − αNyní. Pokud je konstanta jemné struktury skutečně konstanta, měl by to ukázat jakýkoli experiment
nebo tak blízko nule, jak může experiment měřit. Jakákoli hodnota daleko od nuly by to naznačovala α se v průběhu času mění. Zatím většina experimentálních dat odpovídá α být konstantní.
Míra minulých změn
První experimentátoři, kteří testovali, zda se konstanta jemné struktury může skutečně lišit, zkoumali spektrální čáry vzdálených astronomických objektů a produktů z radioaktivní rozpad v Oklo přírodní jaderný štěpný reaktor. Jejich nálezy byly v souladu s žádnými změnami konstanty jemné struktury mezi těmito dvěma značně oddělenými místy a časy.[31][32][33][34][35][36]
Vylepšená technologie na úsvitu 21. století umožnila zjistit hodnotu α na mnohem větší vzdálenosti a na mnohem větší přesnost. V roce 1999 tým vedený Johnem K. Webbem z University of New South Wales požadoval první detekci změny v α.[37][38][39][40] Za použití Dalekohledy Keck a datovou sadu 128 kvasary v červené posuny 0.5 < z < 3, Webb et al. zjistili, že jejich spektra byla v souladu s mírným zvýšením α za posledních 10–12 miliard let. Konkrétně to našli
Jinými slovy, naměřili hodnotu někde mezi −0.0000047 a −0.0000067. Toto je velmi malá hodnota, ale chybové pruhy ve skutečnosti neobsahují nulu. Tento výsledek to buď naznačuje α není konstantní nebo že došlo k nezohlednění experimentální chyby.
V roce 2004 Chand provedl menší studii 23 absorpčních systémů et al., za použití Velmi velký dalekohled, nenalezena žádná měřitelná variace:[41][42]
V roce 2007 však byly v Chandově analytické metodě identifikovány jednoduché nedostatky et al., diskreditace těchto výsledků.[43][44]
Král et al. použili Markovský řetězec Monte Carlo metody k prozkoumání algoritmu použitého skupinou UNSW k určení Δα/α ze spektra kvasarů a zjistili, že se zdá, že algoritmus vytváří správné nejistoty a odhady maximální pravděpodobnosti pro Δα/α pro konkrétní modely.[45] To naznačuje, že statistické nejistoty a nejlepší odhad pro Δα/α uvedl Webb et al. a Murphy et al. jsou robustní.
Lamoreaux a Torgerson analyzovali údaje z Oklo přírodní jaderný štěpný reaktor v roce 2004, a dospěl k závěru, že α se za poslední 2 miliardy let změnil o 45 dílů na miliardu. Tvrdili, že toto zjištění bylo „pravděpodobně s přesností na 20%“. Přesnost závisí na odhadech nečistot a teploty v přírodním reaktoru. Tyto závěry je třeba ověřit.[46][47][48][49]
V roce 2007 si Khatri a Wandelt z University of Illinois v Urbana-Champaign uvědomili, že 21 cm hyperjemný přechod v neutrálním vodíku raného vesmíru zanechává v otisku jedinečný otisk absorpční linie kosmické mikrovlnné pozadí záření.[50] Navrhli použít tento efekt k měření hodnoty α během epochy před vznikem prvních hvězd. V zásadě tato technika poskytuje dostatek informací k měření variace 1 dílu 109 (O 4 řády lepší než současná omezení kvasaru). Omezení, na které lze uvést α je silně závislá na efektivní době integrace, jde o t−1⁄2. Evropan LOFAR radioteleskop by byl schopen omezit Δα/α na přibližně 0,3%.[50] Sběrná plocha potřebná k omezení Δα/α současná úroveň omezení kvasaru je řádově 100 kilometrů čtverečních, což je v současné době ekonomicky neproveditelné.
Současná rychlost změny
V roce 2008 Rosenband et al.[51] použil frekvenční poměr
Al+
a
Hg+
v jedno-iontových optických atomových hodinách umístit velmi přísné omezení na současnou časovou variaci α, jmenovitě α̇/α = (−1.6±2.3)×10−17 za rok. Všimněte si, že jakékoli nulové omezení současné doby pro časovou změnu alfa nemusí nutně vylučovat časovou změnu v minulosti. Opravdu, některé teorie[52] které předpovídají konstantní proměnnou jemnou strukturu také předpovídají, že hodnota konstanty jemné struktury by měla být prakticky fixována ve své hodnotě, jakmile vesmír vstoupí do svého proudu temná energie -dominovaná epocha.
Prostorová variace - australský dipól
V září 2010 vědci z Austrálie uvedli, že identifikovali dipólovou strukturu ve variaci konstanty jemné struktury napříč pozorovatelným vesmírem. Použili údaje o kvasary získané Velmi velký dalekohled, v kombinaci s předchozími údaji získanými Webbem na internetu Dalekohledy Keck. Zdá se, že konstanta jemné struktury byla o jednu část větší ze 100 000 ve směru k souhvězdí jižní polokoule Ara, Před 10 miliardami let. Podobně se zdálo, že konstanta byla menší o podobnou část v severním směru, před 10 miliardami let.[53][54][55]
V září a říjnu 2010, po vydání Webbova výzkumu, fyzici Chad Orzel a Sean M. Carroll navrhl různé přístupy, jak by se Webbova pozorování mohla mýlit. Orzel argumentuje[56] že studie může obsahovat nesprávná data kvůli jemným rozdílům ve dvou dalekohledech, u nichž jeden z dalekohledů byl soubor dat mírně vysoký a na druhém mírně nízký, takže se navzájem ruší, když se překrývají. Považuje za podezřelé, že všechny zdroje, které vykazují největší změny, jsou pozorovány jedním dalekohledem, přičemž oblast pozorovaná oběma dalekohledy se vyrovná tak dobře se zdroji, kde není pozorován žádný účinek. Navrhl Carroll[57] úplně jiný přístup; dívá se na konstantu jemné struktury jako na skalární pole a tvrdí, že pokud jsou dalekohledy správné a konstanta jemné struktury se v celém vesmíru plynule mění, pak musí mít skalární pole velmi malou hmotnost. Předchozí výzkum však ukázal, že hmotnost pravděpodobně nebude extrémně malá. Rané kritiky obou vědců poukazují na skutečnost, že k potvrzení nebo rozporu s výsledky jsou nutné různé techniky, jak ve své studii dospěli také Webb a kol.
V říjnu 2011, Webb et al. hlášeno[54] variace v α v závislosti na rudém posuvu i prostorovém směru. Hlásí „kombinovaný soubor dat odpovídá prostorovému dipólu“ s nárůstem α s červeným posunem v jednom směru a poklesem v druhém směru. „Nezávislé vzorky VLT a Keck poskytují konzistentní směry a amplitudy dipólů ...“[je zapotřebí objasnění ]
V roce 2020 tým ověřil své předchozí výsledky a zjistil dipólovou strukturu v síle elektromagnetické síly pomocí nejvzdálenějšího měření kvasaru. Pozorování kvasaru vesmíru starého pouhých 0,8 miliardy let metodou analýzy AI použitou na dalekohledu Very Large Telescope (VLT) zjistila, že prostorová variace je preferována před modelem bez variací na úroveň.[58]
Antropické vysvětlení
The antropický princip je kontroverzním argumentem, proč má konstanta jemné struktury tu hodnotu, jakou má: stabilní hmota, a tedy život a inteligentní bytosti, by nemohly existovat, kdyby se její hodnota lišila. Například byly α změnit o 4%, hvězdné fúze nevyrábí uhlík, takže život založený na uhlíku by byl nemožný. Li α byly větší než 0,1, hvězdná fúze by byla nemožná a žádné místo ve vesmíru by nebylo dostatečně teplé pro život, jak ho známe.[59]
Numerologické vysvětlení a multiverse teorie
Jako bezrozměrná konstanta, která se nezdá být přímo spojená s žádným matematická konstanta, konstanta jemné struktury fyziky dlouho fascinovala.
Arthur Eddington tvrdil, že hodnotu lze „získat čistým odečtením“ a dal ji do souvislosti s Eddingtonovo číslo, jeho odhad počtu protonů ve vesmíru.[60] To ho v roce 1929 vedlo k domněnce, že převrácená hodnota konstanty jemné struktury není přibližně celé číslo 137, ale přesně to celé číslo 137.[61] Jiní fyzici nepřijali tuto domněnku ani nepřijali jeho argumenty, ale experimentálními hodnotami pro čtyřicátá léta 1/α se dostatečně odchýlil od 137, aby vyvrátil Eddingtonovu argumentaci.[23]
Konstanta jemné struktury tak zaujala fyzika Wolfgang Pauli že spolupracoval s psychoanalytikem Carl Jung ve snaze pochopit jeho význam.[62] Podobně, Max Born věřil, že se bude lišit hodnota alfa, vesmír by zdegeneroval. To tedy tvrdil 1/137 je zákon přírody.[63]
Richard Feynman, jeden z původců a prvních vývojářů teorie kvantová elektrodynamika (QED), odkazoval se na konstantu jemné struktury v těchto termínech:
S pozorovanou vazebnou konstantou je spojena nejhlubší a nejkrásnější otázka, E - amplituda skutečného elektronu k vyzařování nebo absorpci skutečného fotonu. Jedná se o jednoduché číslo, u kterého bylo experimentálně zjištěno, že se blíží hodnotě 0,08542455. (Moji přátelé z fyziky toto číslo nepoznají, protože si ho rádi pamatují jako inverzi svého čtverce: asi 137,03597 s asi nejistotou asi 2 na posledním desetinném místě. Od té doby, co bylo objeveno více, to bylo záhadou než před padesáti lety, a všichni dobří teoretičtí fyzici umístili toto číslo na svou zeď a trápili se tím.)
Okamžitě byste chtěli vědět, odkud toto číslo pro spojku pochází: souvisí s pí nebo snad se základem přirozených logaritmů? Nikdo neví. Je to jedno z největších zatracených tajemství fyziky: magické číslo, které k nám přichází bez pochopení člověkem. Dalo by se říci, že „ruka Boží“ napsala toto číslo a „nevíme, jak strčil tužku.“ Víme, jaký druh tance experimentálně měřit toto číslo velmi přesně, ale nevíme, jaký druh tance dělat na počítači, aby toto číslo vyšlo - aniž bychom ho tajně uváděli!
Naopak statistik I. J. Dobrý tvrdil, že numerologické vysvětlení by bylo přijatelné, pouze pokud by mohlo být založeno na dobré teorii, která dosud není známa, ale „existuje“ ve smyslu Platonický ideál.[64]
Pokusy o nalezení matematického základu pro tuto bezrozměrnou konstantu pokračovaly až do současnosti. Fyzikální komunita však nikdy nepřijala žádné numerologické vysvětlení.
Na počátku 21. století několik fyziků, včetně Stephen Hawking ve své knize Stručná historie času, začal zkoumat myšlenku a multiverse a konstanta jemné struktury byla jednou z několika univerzálních konstant, které naznačovaly myšlenku a vyladěný vesmír.[65]
Citáty
Tajemství o α je vlastně dvojitá záhada. První záhada - původ její číselné hodnoty α ≈ 1/137 - je uznáván a diskutován po celá desetiletí. Druhá záhada - rozsah její domény - je obecně nerozpoznána.
Viz také
- Bezrozměrná fyzická konstanta
- Elektrická konstanta
- Hyperjemná struktura
- Planckova konstanta
- Rychlost světla
Reference
- ^ Arnold Sommerfeld (1916). „Zur Quantentheorie der Spektrallinien“. Annalen der Physik. 4 (51): 51–52. Citováno 6. prosince 2020.Rovnice 12a, "běhat." " (o ...)
- ^ α je úměrný čtverci vazební konstanta pro nabitou částici do elektromagnetického pole. Existují analogické konstanty, které parametrizují sílu interakce silná jaderná síla, známý jako αs (≈1) a slabá jaderná síla, známý jako αw (≈10−6 na 10−7). „Spojovací konstanty pro základní síly“. Hyperfyzika. Gruzínská státní univerzita. Citováno 12. května 2020.
- ^ „Convocationde la Conférence générale des poids et mesures (26e réunion)“ (PDF).
- ^ A b Parker, Richard H .; Yu, Chenghui; Zhong, Weicheng; Estey, Brian; Müller, Holger (13. dubna 2018). "Měření konstanty jemné struktury jako test standardního modelu". Věda. 360 (6385): 191–195. arXiv:1812.04130. Bibcode:2018Sci ... 360..191P. doi:10.1126 / science.aap7706. ISSN 0036-8075. PMID 29650669. S2CID 4875011.
- ^ Davis, Richard S. (2017). "Stanovení hodnoty konstanty jemné struktury ze současného zůstatku: Seznámení s některými nadcházejícími změnami SI". American Journal of Physics. 85 (5): 364–368. arXiv:1610.02910. Bibcode:2017AmJPh..85..364D. doi:10.1119/1.4976701. ISSN 0002-9505. S2CID 119283799.
- ^ Peskin, M .; Schroeder, D. (1995). Úvod do teorie kvantového pole. Westview Press. p.125. ISBN 978-0-201-50397-5.
- ^ A b Mohr, P. J .; Taylor, B. N .; Newell, D. B. (2019). "Konstanta jemné struktury". CODATA Mezinárodně doporučené hodnoty základních fyzikálních konstant pro rok 2018. Národní institut pro standardy a technologie.
- ^ Mohr, P. J .; Taylor, B. N .; Newell, D. B. (2019). "Inverzní konstanta jemné struktury". CODATA Mezinárodně doporučené hodnoty základních fyzikálních konstant pro rok 2018. Národní institut pro standardy a technologie. Citováno 20. května 2019.
- ^ A b Yu, C .; Zhong, W .; Estey, B .; Kwan, J .; Parker, R. H .; Müller, H. (2019). "Atom-interferometrie měření konstanty jemné struktury". Annalen der Physik. 531 (5): 1800346. Bibcode:2019AnP ... 53100346Y. doi:10.1002 / andp.201800346.
- ^ Aoyama, T .; Hayakawa, M .; Kinoshita, T .; Nio, M. (2012). „Příspěvek QED desátého řádu k elektronu G−2 a vylepšená hodnota konstanty jemné struktury ". Dopisy o fyzické kontrole. 109 (11): 111807. arXiv:1205.5368. Bibcode:2012PhRvL.109k1807A. doi:10.1103 / PhysRevLett.109.111807. PMID 23005618. S2CID 14712017.
- ^ Bouchendira, Rym; Cladé, Pierre; Guellati-Khélifa, Saida; Nez, François; Biraben, François (2011). „Nové stanovení konstanty jemné struktury a test kvantové elektrodynamiky“ (PDF). Dopisy o fyzické kontrole (Vložený rukopis). 106 (8): 080801. arXiv:1012.3627. Bibcode:2011PhRvL.106h0801B. doi:10.1103 / PhysRevLett.106.080801. PMID 21405559. S2CID 47470092.
- ^ Léo Morel, Zhibin Yao, Pierre Cladé & Saïda Guellati-Khélifa, Stanovení konstanty jemné struktury s přesností 81 dílů na bilion, Nature, roč. 588, s. 61–65 (2020), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2964-7
- ^ Arnold Sommerfeld: Atombau a Spektrallinien. Braunschweig: Friedr. Vieweg & Sohn, 2. vydání, 1921. 241-242, Rovnice 8. online „Das Verhältnis nennen wir ." (Poměr ... pojmenujeme ...)
- ^ Riazuddin, Fayyazuddin (2012). Moderní úvod do fyziky částic (Třetí vydání.). World Scientific. p. 4. ISBN 9789814338837. Citováno 20. dubna 2017.
- ^ Nair, R.R .; Blake, P .; Grigorenko, A. N .; Novoselov, K. S .; Booth, T. J .; Stauber, T .; Peres, N. M. R .; Geim, A. K. (2008). "Konstanta jemné struktury definuje vizuální průhlednost grafenu". Věda. 320 (5881): 1308. arXiv:0803.3718. Bibcode:2008Sci ... 320.1308N. doi:10.1126 / science.1156965. PMID 18388259. S2CID 3024573.
- ^ Chandrasekhar, S. (1. dubna 1984). „O hvězdách, jejich vývoji a stabilitě“. Recenze moderní fyziky. 56 (2): 137–147. Bibcode:1984RvMP ... 56..137C. doi:10.1103 / RevModPhys.56.137. S2CID 2317589.
- ^ Bedford, D .; Krumm, P. (2004). „Heisenbergova neurčitost a konstanta jemné struktury“. American Journal of Physics. 72 (7): 969. Bibcode:2004AmJPh..72..969B. doi:10.1119/1.1646135.
- ^ Poelz, G. (5. října 2016). "Elektronový model se synchrotronovým zářením". arXiv:1206.0620v24 [fyzika.třída-ph ].
- ^ Lederman, Leon, Boží částice: Pokud je odpovědí vesmír, jaká je otázka? (1993), Houghton Mifflin Harcourt, s. 28–29.
- ^ Michelson, Albert A .; Morley, Edward W. (1887). „Způsob, jakým se vlnová délka sodíkového světla stává skutečným a praktickým standardem délky“. American Journal of Science. 3. série. 34 (204): 427–430. Od p. 430: „Mezi dalšími látkami, které byly zkoušeny v předběžných experimentech, bylo thalium, lithium a vodík.… Je možné poznamenat, že v případě červené vodíkové čáry interferenční jevy zmizely při přibližně 15 000 vlnách -délky, a znovu na přibližně 45 000 vlnových délkách: takže červená vodíková linka musí být dvojitá s komponentami přibližně o šedesátiny tak vzdálenými jako sodíkové linky.
- Přetištěno v: Michelson, Albert A .; Morley, Edward W. (1887). „Způsob, jakým se vlnová délka sodíkového světla stává skutečným a praktickým standardem délky“. Filozofický časopis. 5. série. 24 (151): 463–466.
- ^ Sommerfeld, A. (1916). „Zur Quantentheorie der Spektrallinien“ [O kvantové teorii spektrálních čar]. Annalen der Physik. 4. série (v němčině). 51 (17): 1–94. Bibcode:1916AnP ... 356 ... 1S. doi:10.1002 / andp.19163561702. Od str.91: „Wir fügen den Bohrschen Gleichungen (46) und (47) die charakteristische Konstante unserer Feinstrukturen (49) α = 2πe2/ ch hinzu, die zugleich mit der Kenntnis des Wasserstoffdubletts oder des Heliumtripletts v §10 nebo jiný analogický Struktur bekannt ist. " (K Bohrovým rovnicím (46) a (47) přidáme charakteristickou konstantu našich jemných struktur (49) α = 2πe2/ ch, který je okamžitě znám ze znalosti dubletu vodíku nebo tripletu helia v § 10 nebo jakékoli podobné struktury.)
- ^ „Úvod do konstant pro neexistující - aktuální pokroky: Konstanta jemné struktury a kvantový Hallov efekt“. Reference NIST o konstantách, jednotkách a nejistotě. NIST. Citováno 11. dubna 2009.
- ^ A b Kragh, Helge (červenec 2003). „Magické číslo: Částečná historie konstanty jemné struktury“. Archiv pro historii přesných věd. 57 (5): 395–431. doi:10.1007 / s00407-002-0065-7. JSTOR 41134170. S2CID 118031104.
- ^ https://mrob.com/pub/num/n-b137_035.html
- ^ Aoyama, Tatsumi; Kinoshita, Toichiro; Nio, Makiko (8. února 2018). „Revidovaná a vylepšená hodnota elektronového anomálního magnetického momentu QED desátého řádu“. Fyzický přehled D. 97 (3): 036001. arXiv:1712.06060. Bibcode:2018PhRvD..97c6001A. doi:10.1103 / PhysRevD.97.036001.
- ^ Morel, Léo; Yao, Zhibin; Cladé, Pierre; Guellati-Khélifa, Saïda (prosinec 2020). "Stanovení konstanty jemné struktury s přesností 81 dílů na bilion". Příroda. 588 (7836): 61–65. doi:10.1038 / s41586-020-2964-7.
- ^ Milne, E. A. (1935). Relativita, gravitace a struktura světa. Clarendon Press.
- ^ Dirac, P. A. M. (1937). „Kosmologické konstanty“. Příroda. 139 (3512): 323. Bibcode:1937Natur.139..323D. doi:10.1038 / 139323a0. S2CID 4106534.
- ^ Gamow, G. (1967). „Elektřina, gravitace a kosmologie“. Dopisy o fyzické kontrole. 19 (13): 759–761. Bibcode:1967PhRvL..19..759G. doi:10.1103 / PhysRevLett.19,759.
- ^ Gamow, G. (1967). "Variabilita elementárního náboje a čtyřstěnných objektů". Dopisy o fyzické kontrole. 19 (16): 913–914. Bibcode:1967PhRvL..19..913G. doi:10.1103 / PhysRevLett.19,913.
- ^ Uzan, J.-P. (2003). „Základní konstanty a jejich variace: pozorovací status a teoretické motivace“. Recenze moderní fyziky. 75 (2): 403–455. arXiv:hep-ph / 0205340. Bibcode:2003RvMP ... 75..403U. doi:10.1103 / RevModPhys.75.403. S2CID 118684485.
- ^ Uzan, J.-P. (2004). "Variace konstant v pozdním a raném vesmíru". Sborník konferencí AIP. 736: 3–20. arXiv:astro-ph / 0409424. Bibcode:2004AIPC..736 .... 3U. doi:10.1063/1.1835171. S2CID 15435796.
- ^ Olive, K .; Qian, Y.-Z. (2003). „Byly základní konstanty v minulosti jiné?“. Fyzika dnes. 57 (10): 40–45. Bibcode:2004PhT .... 57j..40O. doi:10.1063/1.1825267.
- ^ Barrow, J. D. (2002). Konstanty přírody: Od Alfa po Omegu - čísla, která zakrývají nejhlubší tajemství vesmíru. Vinobraní. ISBN 978-0-09-928647-9.
- ^ Uzan, J.-P .; Leclercq, B. (2008). Přirozené zákony vesmíru. Přirozené zákony vesmíru: Porozumění základním konstantám. Springer Praxis. Bibcode:2008nlu..book ..... U. doi:10.1007/978-0-387-74081-2. ISBN 978-0-387-73454-5.
- ^ Fujii, Yasunori (2004). „Oklo omezení časové proměnnosti konstanty jemné struktury“. Astrofyzika, hodiny a základní konstanty. Přednášky z fyziky. 648. 167–185. doi:10.1007/978-3-540-40991-5_11. ISBN 978-3-540-21967-5.
- ^ Webb, John K .; Flambaum, Victor V .; Churchill, Christopher W .; Drinkwater, Michael J .; Barrow, John D. (1. února 1999). Msgstr "Hledání časové variace konstanty jemné struktury". Dopisy o fyzické kontrole. 82 (5): 884–887. arXiv:astro-ph / 9803165. Bibcode:1999PhRvL..82..884W. doi:10.1103 / PhysRevLett.82.884. S2CID 55638644.
- ^ Murphy, M. T .; Webb, J. K .; Flambaum, V. V .; Dzuba, V. A .; Churchill, C. W .; Prochaska, J. X .; Barrow, J. D .; Wolfe, A. M. (11. listopadu 2001). "Možné důkazy o proměnné konstantě jemné struktury z absorpčních linií QSO: motivace, analýza a výsledky". Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. 327 (4): 1208–1222. arXiv:astro-ph / 0012419. Bibcode:2001MNRAS.327.1208M. doi:10.1046 / j.1365-8711.2001.04840.x. S2CID 14294586.
- ^ Webb, J. K .; Murphy, M. T .; Flambaum, V. V .; Dzuba, V. A .; Barrow, J. D .; Churchill, C. W .; Prochaska, J. X .; Wolfe, A. M. (9. srpna 2001). „Další důkazy pro kosmologický vývoj konstanty jemné struktury“. Dopisy o fyzické kontrole. 87 (9): 091301. arXiv:astro-ph / 0012539. Bibcode:2001PhRvL..87i1301W. doi:10.1103 / PhysRevLett.87.091301. PMID 11531558. S2CID 40461557.
- ^ Murphy, M. T .; Webb, J. K .; Flambaum, V. V. (říjen 2003). „Další důkazy o proměnné konstantě jemné struktury z absorpčních spekter spektra Keck / HIRES QSO“. Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. 345 (2): 609–638. arXiv:astro-ph / 0306483. Bibcode:2003MNRAS.345..609M. doi:10.1046 / j.1365-8711.2003.06970.x. S2CID 13182756.
- ^ Chand, H .; Srianand, R .; Petitjean, P .; Aracil, B. (1. dubna 2004). "Zkoumání kosmologické variace konstanty jemné struktury: Výsledky založené na vzorku VLT-UVES". Astronomie a astrofyzika. 417 (3): 853–871. arXiv:astro-ph / 0401094. Bibcode:2004A & A ... 417..853C. doi:10.1051/0004-6361:20035701. S2CID 17863903.
- ^ Srianand, R .; Chand, H .; Petitjean, P .; Aracil, B. (26. března 2004). „Limity časové změny elektromagnetické jemné struktury konstantní v nízkoenergetickém limitu z absorpčních linií ve spektru vzdálených kvasarů“. Dopisy o fyzické kontrole. 92 (12): 121302. arXiv:astro-ph / 0402177. Bibcode:2004PhRvL..92l1302S. doi:10.1103 / PhysRevLett.92.121302. PMID 15089663. S2CID 29581666.
- ^ Murphy, M. T .; Webb, J. K .; Flambaum, V. V. (6. prosince 2007). „Komentář k“ Limity časové změny elektromagnetické jemné struktury konstantní v nízkém energetickém limitu z absorpčních linií ve spektru vzdálených kvasarů"". Dopisy o fyzické kontrole. 99 (23): 239001. arXiv:0708.3677. Bibcode:2007PhRvL..99w9001M. doi:10.1103 / PhysRevLett.99.239001. PMID 18233422. S2CID 29266168.
- ^ Murphy, M. T .; Webb, J. K .; Flambaum, V. V. (1. března 2008). "Revize omezení VLT / UVES na měnící se konstantu jemné struktury". Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. 384 (3): 1053–1062. arXiv:astro-ph / 0612407. Bibcode:2008MNRAS.384.1053M. doi:10.1111 / j.1365-2966.2007.12695.x. S2CID 10476451.
- ^ King, J. A .; Mortlock, D. J .; Webb, J. K .; Murphy, M. T. (2009). „Metody Markov Chain Monte Carlo aplikované na měření konstanty jemné struktury z kvasarové spektroskopie“. Memorie della Societa Astronomica Italiana. 80: 864. arXiv:0910.2699. Bibcode:2009MmSAI..80..864K.
- ^ R. Kurzweil (2005). Singularita je blízko. Vikingský tučňák. str.139–140. ISBN 978-0-670-03384-3.
- ^ S. K. Lamoreaux; J.R.Torgerson (2004). "Moderování neutronů v přírodním reaktoru Oklo a časová variace alfa". Fyzický přehled D. 69 (12): 121701. arXiv:nucl-th / 0309048. Bibcode:2004PhRvD..69l1701L. doi:10.1103 / PhysRevD.69.121701. S2CID 119337838.
- ^ E. S. Reich (30. června 2004). „Rychlost světla se v poslední době mohla změnit“. Nový vědec. Citováno 30. ledna 2009.
- ^ „Vědci objevili jednu z konstant vesmíru nemusí být konstantní“. ScienceDaily. 12. května 2005. Citováno 30. ledna 2009.
- ^ A b Khatri, Rishi; Wandelt, Benjamin D. (14. března 2007). „21 cm záření: nová sonda variací konstanty jemné struktury“. Dopisy o fyzické kontrole. 98 (11): 111301. arXiv:astro-ph / 0701752. Bibcode:2007PhRvL..98k1301K. doi:10.1103 / PhysRevLett.98.111301. PMID 17501040. S2CID 43502450.
- ^ Rosenband, T .; Hume, D. B .; Schmidt, P.O .; Chou, C. W .; Brusch, A .; Lorini, L .; Oskay, W. H .; Drullinger, R.E .; Fortier, T. M .; Stalnaker, J. E .; Diddams, S. A .; Swann, W. C .; Newbury, N.R .; Itano, W. M .; Wineland, D. J .; Bergquist, J. C. (28. března 2008). „Frekvenční poměr jedno-iontových optických hodin Al + a Hg +; metrologie na 17. desetinném místě“. Věda. 319 (5871): 1808–1812. Bibcode:2008Sci ... 319.1808R. doi:10.1126 / science.1154622. PMID 18323415. S2CID 206511320.
- ^ Barrow, John D .; Sandvik, Håvard Bunes; Magueijo, João (21. února 2002). "Chování kosmologií různých alfa". Fyzický přehled D. 65 (6): 063504. arXiv:astro-ph / 0109414. Bibcode:2002PhRvD..65f3504B. doi:10.1103 / PhysRevD.65.063504. S2CID 118077783.
- ^ H. Johnston (2. září 2010). "Změny zaznamenané v základní konstantě". Svět fyziky. Citováno 11. září 2010.
- ^ A b Webb, J. K .; King, J. A .; Murphy, M. T .; Flambaum, V. V .; Carswell, R. F .; Bainbridge, M. B. (31. října 2011). "Indikace prostorové variace konstanty jemné struktury". Dopisy o fyzické kontrole. 107 (19): 191101. arXiv:1008.3907. Bibcode:2011PhRvL.107s1101W. doi:10.1103 / PhysRevLett.107.191101. hdl:1959.3/207294. PMID 22181590. S2CID 23236775.
- ^ King, Julian A. (1. února 2012). Hledání variací konstanty jemné struktury a hmotnostního poměru proton-elektron k použití kvazarových absorpčních čar (Teze). arXiv:1202.6365. Bibcode:2012PhDT ........ 14K. CiteSeerX 10.1.1.750.8595. hdl:1959.4/50886.
- ^ Orzel, Čad (14. října 2010). „Proč jsem skeptický ohledně změny konstanty jemné struktury“. ScienceBlogy.
- ^ Carroll, Sean M. (18. října 2010). „Konstanta jemné struktury je pravděpodobně konstantní“.
- ^ Wilczynska, Michael R .; Webb, John K .; Bainbridge, Matthew; Barrow, John D .; Bosman, Sarah E. I .; Carswell, Robert F .; Dąbrowski, Mariusz P .; Dumont, Vincent; Lee, Chung-Chi; Leite, Ana Catarina; Leszczyńska, Katarzyna; Liske, Jochen; Marošek, Konrad; Martins, Carlos J. A. P .; Milaković, Dinko; Molaro, Paolo; Pasquini, Luca (1. dubna 2020). „Čtyři přímá měření konstanty jemné struktury před 13 miliardami let“. Vědecké zálohy. 6 (17): eaay9672. arXiv:2003.07627. Bibcode:2020SciA .... 6,9672 W.. doi:10.1126 / sciadv.aay9672. PMC 7182409. PMID 32917582.
- ^ Barrow, John D. (2001). „Kosmologie, život a antropický princip“. Annals of the New York Academy of Sciences. 950 (1): 139–153. Bibcode:2001NYASA.950..139B. doi:10.1111 / j.1749-6632.2001.tb02133.x. PMID 11797744.
- ^ A. S. Eddington (1956). "Konstanty přírody". V J.R. Newman (ed.). The World of Mathematics. 2. Simon & Schuster. pp. 1074–1093.
- ^ Whittaker, Edmund (1945). "Eddington's Theory of the Constants of Nature". Matematický věstník. 29 (286): 137–144. doi:10.2307/3609461. JSTOR 3609461.
- ^ Várlaki, Péter; Nádai, László; Bokor, József (2008). "Number archetypes and 'background' control theory concerning the fine structure constant". Acta Polytechica Hungarica. 5 (2): 71–104.
- ^ A. I. Miller (2009). Dešifrování kosmického čísla: Podivné přátelství Wolfganga Pauliho a Carla Junga. W.W. Norton & Co. p.253. ISBN 978-0-393-06532-9.
Max Born: If alpha were bigger than it really is, we should not be able to distinguish matter from ether [the vacuum, nothingness], and our task to disentangle the natural laws would be hopelessly difficult. The fact however that alpha has just its value 1/137 is certainly no chance but itself a law of nature. It is clear that the explanation of this number must be the central problem of natural philosophy.
- ^ I. J. Good (1990). "A Quantal Hypothesis for Hadrons and the Judging of Physical Numerology". In G. R. Grimmett; D. J. A. Welsh (eds.). Disorder in Physical Systems. Oxford University Press. p. 141. ISBN 978-0-19-853215-6.
I. J. Good: There have been a few examples of numerology that have led to theories that transformed society: see the mention of Kirchhoff and Balmer in Good (1962, p. 316) … and one can well include Kepler on account of his third law. It would be fair enough to say that numerology was the origin of the theories of electromagnetism, quantum mechanics, gravitation.... So I intend no disparagement when I describe a formula as numerological. When a numerological formula is proposed, then we may ask whether it is correct. … I think an appropriate definition of correctness is that the formula has a good explanation, in a Platonic sense, that is, the explanation could be based on a good theory that is not yet known but ‘exists’ in the universe of possible reasonable ideas.
- ^ Stephen Hawking (1988). Stručná historie času. Knihy Bantam. str.7, 125. ISBN 978-0-553-05340-1.
externí odkazy
- Adler, Stephen L. (1973). "Theories of the Fine Structure Constant α" (PDF). Atomic Physics 3. pp. 73–84. doi:10.1007/978-1-4684-2961-9_4. ISBN 978-1-4684-2963-3.
- "Introduction to the constants for nonexperts", převzato z Encyklopedie Britannica, 15th ed. Disseminated by the NIST web page.
- CODATA recommended value of α, as of 2010.
- Quotes About Fine Structure Constant
- "Fine Structure Constant", Eric Weisstein's World of Physics website.
- John D. Barrow, and John K. Webb, „Nekonstantní konstanty“, Scientific American, Červen 2005.
- Eaves, Laurence (2009). "The Fine Structure Constant". Šedesát symbolů. Brady Haran pro University of Nottingham.