Постоянная тонкой структуры равна. Тонкости тонкой структуры

Тимофей Гуртовой

Физический смысл

постоянной тонкой структуры

Безразмерная постоянная, равная 1/137, была получена немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом, в 1916 году, ещё до создания квантовой теории. Впоследствии она получила название постоянной тонкой структуры. Числовое её выражение было получено в системе СГСЭ, из математического выражения, которое имеет следующий вид:

2π e 2

а = ─── , (1)

h С

где: а - постоянная тонкой структуры; e – заряд электрона; h – Планка постоянная; С – скорость света.

Попытки узнать, что означает эта постоянная, в конце концов, привели к тому, что она якобы характеризует электромагнитное взаимодействие. Однако это ложная её интерпретация. Познать её сущность до сих пор так и не удалось. Единственное, что является понятным, так это её принадлежность к процессу получения спектров атомов, поскольку исходное относится к этой области.

Непонятность выражения (1) привлекая внимание, вызывает к нему любопытство. А то, что оно относится к явлению атомных спектров, процессу мало изученному – любопытство двойное. И в вопросах его разгадки приводит к разномыслию, даже такому: не может ли быть, что в этом процессе масса выброшенных из атома электронов не является величиной постоянной? В таком случае размерность быть бы должна. Разве что оно является результатом какого-то соотношения в этом процессе, на что, в своей работе, «намекал» сам Зоммерфельд. Тогда величина может быть и безразмерной. Так было замечено, что уравнение (1) возможно, анализируя далее, продолжить и завершить таким образом, чтобы оно указывало бы на его физическую сущность, что и было выполнено.

При завершении анализа оказалось, что уравнение (1), действительно выражает соотношение определённых величин, в процессе, когда атом находится в состоянии большой энергетической перегрузки , в результате высокой температуры. Однако не в процессе возникновения спектра , за счёт излучения, а в связи с процессом, происходящим в самом атоме .

Если какое либо вещество, повышая температуру, привести в парообразное состояние, то его атомы начинают излучать спектры резонансных частот. Но излучают не сами атомы, а частицы в момент их выброса, из перевозбуждённых атомов.

Математическое выражение тонкой структуры, в таком случае, должно описывать какой-то существенный факт, который имеет место в этом процессе. Поэтому завершение уравнения Зоммерфельда, с участием электронов, было проведено с позиции возникновения свободных носителей тока , при перевозбуждении атома.

В результате продолженного анализа выражение (1) было преобразовано в уравнение (2), из которого теперь следует его физический смысл (вывод в проекте, подготовленного, 2-го издания ).

2π σ

а = ──── , (2)

Электрическая проводимость – это физический параметр, электрической цепи, который свидетельствует о способности некоторых материалов, в той или иной мере, проводить электрический ток. Общая размерность проводимости – [см /с ].

Принимая во (2) проводимость общей, подчеркиваем, что сама цепь электрического тока, в данном случае, не рассматривается и проводимость привлекается только, как параметр кинетики носителей тока . В таком случае постоянная тонкой структуры во (2), с общей проводимостью, будет величиной безразмерной (3).

а = 2π σ [см/с]/ С [см/с]= 1 / 137 (3)

Уравнение (3), описывая движение, на основании размерности общей электрической проводимости [см /с ] , показывает отношение каких-то двух скоростей электрона V е1 и V е2 в атоме. И, согласно структуре уравнения, должно быть величиной постоянной (4).

а v = V е1 / V е2 = 1/137 (4)

Электрон, как известно, является стабильной фундаментальной элементарной частицей. Согласно физике рациональной, конституция материальных объектов представляется совокупностью вещественности, в виде внешней оболочки, и керна абсолютной пустоты в центре. Стабильность частиц, в таком случае, будет обусловлена достаточностью объёма керна абсолютного вакуума , что обеспечивается предельной, равной – С, вихревой скоростью её тонкой первоплазменной оболочки. Вихревая скорость оболочки частицы, в данном случае электрона, придавая ему вращательное движение , заставляет его двигаться в Пространстве по спирали, с той же предельной скоростью. Эту скорость будем называть спинорной .

Кроме скорости спиральной (спинорной) , электрон, движущийся в Пространстве, обладает и скоростью прямолинейной (поступательной) , вызываемой ускоряющей энергией внешнего электрического поля.

Спиральная скорость электрону задаётся его орбитальным движением в атоме. А поскольку подобная величина орбитальной скорости (равная – С) в атоме может быть только у поверхности вакуумного керна, значит, электрон сбрасывается с поверхности керна, т. е. из его центра, и в момент минимального объёма, переходя границу сферы, в процессе осцилляции. В результате сброса возникает скорость электрона - поступательная . Эта скорость частицы является скоростью её выхода из атома . Поэтому есть все основания считать, что уравнение (4) выражает отношение скоростей электрона в атоме : скорости выхода (V е1 = V е. в. ) , к скорости орбитальной (V е2 = V е. о. ) , иначе, спиральной (спинорной) в Пространстве – С .

Согласно (4) скорость выхода электрона из атома постоянна и меньше предельной – С, строго определённым образом, в 137 раз.

Анализируя уравнение (4), нельзя не заметить некоторую физическую, скажем так, «несправедливость» , которая из него так же вытекает. Постоянство пространственной спиральной скорости электрона, равное – С, утверждает постоянство и равенство скоростей всех электронов, по той или иной причине, покидающих пределы атомов, т. е. равенство скоростей выхода в любом веществе . Подобного в нормальных условиях быть не должно, поскольку работа выхода электрона из атома в Пространство, для каждого материала, индивидуальна. И возникает подозрение, что в нашем анализе процесса или где-то допущена ошибка, или это уравнение описывает только частный случай.

Однако, если учесть, что в основу математического изыскания Зоммерфельда положено явление спектрального проявления атомов, то всякие сомнения, по поводу реальности постоянства и равенства скоростей выхода из них электронов, должны отпасть. Поскольку это уравнение, действительно, представляет частный случай, когда именно существование подобных фактов в Природе, позволяет получать спектры атомов, где распределение спектральных линий зависит только от энергии, автономно проявляющих себя, атомных структур. Так что в случае значительного повышения температуры вещества и превращении его в пар, подобное, т. е. постоянство и равенство скоростей выхода электронов, независимо от используемого материала, вполне возможно.

В нормальных температурных условиях, при достаточной энергии возбуждения, атом испускает только моноэнергетичные электроны, по одному за период, скажем так, его общемассовой осцилляции. При высоких температурах атом выбрасывает уже целый пакет, причём полиэнергетичных электронов.

Поступающее в атомы излишнее количество энергии приводит к возникновению дополнительных вакуумных зон, между структурными частями атомов. Это ослабляет межструктурные связи, ранее, в нормальном состоянии, высокие. И структурные части атомов, приобретя свободу функционирования, начинают осциллировать самостоятельно, каждая со своей резонансной частотой.

В условиях высокой степени осцилляции, атом, не переставая быть целостным, компактным образованием, как прежде, в смысле целостного функционирования, в результате возникновения межструктурных зон вакуума, быть перестаёт. Каждая его структурная часть будет осциллировать отдельно, и каждая в своём резонансном режиме. Самостоятельно осциллируя, структурные части атома, сами испускают электроны, таким образом, усиливая процесс освобождения атомов от лишней энергии, поступающей в них извне.

Энергетическая самостоятельность структур атомов, допускающая резонансный режим их осцилляции, ставит эти образования, в процессе излучения ими электронов, в равные условия. В таком случае постоянство отношения в (4) непременно будет соблюдаться.

Различие же по величине радиусов орбит электронов, в этих условиях, создаёт только разную, по времени, цикличность, в процессе их обращений. От чего зависит частота сопутствующих этому процессу излучений, что и наблюдается в виде набора спектральных линий.

Подводя итог, только выполненному , в дополнительном анализе уравнения Зоммерфельда, можно сказать, что высокотемпературная осцилляция атомов создаёт одинаковые условия выхода из них электронов, без существенных различий в энергетических затратах на процесс их выброса для разных веществ. И в условиях энергетической перегрузки атомов, уравнивая их в этом поведении, приводит к получению спектра «чистых» резонансных частот , которые реально отражают внутреннюю структуру атома.

Завершение анализа

Следует так же заметить, что осциллирующие атомы, как свидетельствует практика, способны выбрасывать в Пространство частицы и в нормальных температурных условиях, если поглощаемые ими электромагнитные кванты будут обладать энергией не меньшей энергии выхода. Излучаются в этом случае и электроны, и позитроны.

Электрон, как уже было сказано, выбрасывается из центра атома, с поверхности вакуумной зоны, где его орбитальная скорость равна – С. Она-то и есть причина его, такой же по величине, спинорной скорости в Пространстве. Что, является залогом его прочности и долговечности, позволяя ему существовать даже при неоднократном взаимодействии с микроструктурой среды.

Позитрон выбрасывается с поверхностных слоёв атома, где скорость вихревого движения материи и, значит, его орбитальная скорость меньше предельной. Поэтому, обладая недостаточным количеством вихревого движения, не получая дополнительной энергии, может существовать в Пространстве только до первой встречи с его микроструктурой. После чего распадается и, излучив электромагнитный квант, превращается в первоматерию

В явлении получения спектров атомов, говоря об электрической проводимости, мы вводили в уравнение её размерность в общей форме, т. е., в виде физического понятия, характеризующего не движение носителей тока в электрической цепи, а просто кинетику электронов, которые перевозбуждёнными атомами выбрасываются в Пространство. Если же рассматривать возникновение и движение электронов, как носителей тока в электрической цепи, то в этом случае проводимость будет физическим параметром, характеризующим качество конкретной электрической цепи. И должна быть, в уравнении (3), удельной - σ у. , имея размерность – [ 1 /с ] . Принятие подобной размерности для одного члена уравнения, нарушая его прежнюю безразмерность, приводит к тому, что эта физическая постоянная размерность приобретает .

ά= 2π σ у / С[см/с] = 1 / 137 (5)

Теперь в (5), смысл уравнения (4), как отношения скорости выхода электрона из атома к его скорости Пространственной (орбитальной) , из-за различной размерности составляющих, теряется . Чтобы восстановить прежний смысл уравнения, в его числителе должна появиться размерность пространственной координаты – [см ] . Но она может появиться только с вновь ведённым физическим параметром. Будет ли законно подобное нововведение в уже существующее уравнение?

Если рассматривать не выброс зарядов структурами атома пресыщенного энергией, а процесс их получения за счёт действия на атомы, находящиеся в нормальном энергетическом состоянии, электрического поля в цепи электрического тока, которое будет стимулировать выход электронов (позитронов), то подобный акт возможен. И введённым параметром может стать радиус орбиты выбрасываемой частицы.

Однако новь введённый параметр – радиус , имея собственное числовое значение, восстановив смысл уравнения своей размерностью, теперь нарушит численную величину его результата. К тому же, эта величина будет постоянной только для атомов одного, конкретного материала. Поскольку частица выбрасывается в электрическую цепь из её материала. Физически это будет означать, что уравнение (2) теперь должно представлять отношение скорости выброса частицы из атома к её скорости в электрической цепи, при конкретном материале. И выражение (2), с внесённым пространственным параметром , в виде радиуса – r [см] орбитального частицы, примет следующий вид:

2π r σ у

ά = ──── , (6)

где: ά – величина отношения скоростей, но не равная постоянной 1/137 ; σ у – удельная проводимость материала электрической цепи; r – радиус орбиты частицы атома, которая при наличии электрического поля и замкнутой цепи, станет причиной возникновения электрического тока; С – скорость света.

Бета-частицы, как носители электрического тока, могут быть и отрицательными - электроны, и положительными – позитроны. Те и другие в цепях электрического тока существуют, только перескакивая от атома к атому, пока действует в них ЭДС.

Процесс возникновения электрического тока в электрических цепях, и его там существование, может быть представлен следующим образом. При возникновении ЭДС в электрической цепи, атомы материалов составляющих цепь поляризуются. Их материальная оболочка сдвигается относительно вакуумных кернов (последние, являя узлы кристаллической решетки материала, образуют жесткую его систему, и осцилляция атомов происходит вокруг них).

Все взаимодействия в материальном мире происходят согласно фундаментальному закону Потенциальной Градации материи . В атомах составляющих материалы с отрицательным коэффициентом Холла, которые поставляют в цепь электроны, материальные оболочки обладают большим поверхностным потенциалом, нежели потенциал отрицательного полюса источника ЭДС. Поэтому относительно узлов решетки оболочки сдвигаются в сторону этого полюса. И при осцилляции, в момент минимума объёма, под воздействием ЭДС источника сбрасывают «частицы»-электроны с поверхности сферы вакуумного керна , в направлении обратном, в сторону положительного полюса.

В атомах составляющих материалы с положительным коэффициентом Холла всё происходит наоборот, так как поверхностный потенциал их материальных оболочек меньше потенциала положительного полюса источника ЭДС, поэтому оболочки сдвигаются в его сторону. Сбрасываются «частицы»-позитроны с поверхности атомов, в момент максимума объема осциллирующего атома, что ускоряет их движение , и в сторону отрицательного полюса источника ЭДС.

Ввиду отсутствия свободной первоматерии в межатомных промежутках материалов составляющих электрическую цепь, сопротивление движению выброшенным «частицам» отсутствует. И их переформирование в точечно-корпускулярную форму не происходит. Что, при взаимодействии с встреченными ими атомами материала цепи, в результате интенсивного торможения приводит к окончательному их распаду и превращению в первоматерию.

Под воздействием ЭДС источника, возникшая первоматерия образует общий поток , по кольцу замкнутой цепи. Единый поток первочастиц, которые и являются истинными носителями электричества, как такового, созданный распавшимися полагаемыми «носителями», - это и есть электрический ток. А все тормозные излучения полагаемых и истинных носителей – тепло Джоуля.

Первочастицы обладают самым малым поверхностным потенциалом, поэтому движение их потока направлено в сторону положительного полюса источника ЭДС. Что, кстати, верно было принято исторически, хотя и интуитивно, без научного обоснования.

Поскольку в межатомном пространстве токопроводников, пространственная среда отсутствует, то скорость потока носителей (первочастиц), ею не ограниченная, будет на много порядков выше, чем в Пространстве, с первоматерией. Это и показано в (6) математически, с помощью внесённых численных значений удельной проводимости - σ у и орбитального радиуса частицы – r в атоме.

Радиус, например, «орбиты» электрона, который может быть выброшен осциллирующим атомом, по величине, не отличается от радиуса керна атома – 7,21·10-12 [см] . Радиус «орбиты» позитрона – равен радиусу атома.

Факт значительного превышения скорости частиц в электрической цепи относительно их скорости в Пространстве в физике уже признан: скорость распространения тока в электрической цепи почти мгновенна.

Всё вышеизложенное, основанное на выражении уравнении (6), говорит о том, что носителей электрического тока, в виде постоянно существующего электронного газа, в проводниках не существует. Но не только оно свидетельство этому, есть ещё и экспериментальное тому подтверждение .

Выводы из равенств – (4) и (6)

Все структурные материальные образования и отдельные частицы, составляющие атом, если рассматривать их по отдельности, завершенной корпускулярной (сконцентрированной, точечной) формы, не имеют. Это, как было сказано, кольцевые образования, находящиеся в вихревом движении вокруг вакуумного керна, каждое по своей кольцевой орбите. Сконцентрированную, точечную форму частицы приобретают при выходе из атома в Пространство, затрачивая на это энергию. Таким образом, энергия выхода частицы из атома (электрона или позитрона) в Пространство, заполненное первоматерией, – это энергия преобразования её формы. Кольцевая форма частиц превращается в форму в виде шара с топологией тора. Топология тора позволяет свободной частице иметь спин и способствует её поляризации в электрических и магнитных полях.

В Пространстве процесс преобразования двусторонний . При ускорении частицы, материя из рассредоточенного состояния, в Пространстве, превращается в состояние сосредоточенное в частице, её массу увеличивая . При торможении , наоборот , материя из состояния сосредоточенного в частице, переходит в состояние, рассредоточенное в Пространстве, её массу уменьшая .

В атоме же, при выбросе частицы, происходит только сосредоточение материи . Её кольцеобразная форма в атоме, в Пространстве превращается в сконцентрированную, точечную форму .

Скорость преобразования материи конечна и равна – С. Время преобразования материи находится в прямой зависимости от её количества. Поэтому отношение массы материи ко времени её преобразования в первоматерию и обратно, первоматерии в материю, величина постоянная.

а t. = m 1 / t 1 = m 2 / t 2 … mn / tn = Const (7)

Известно, что массы выбрасываемых частиц, электронов и позитронов, по величине разные. Однако суммарная масса носителей тока в электрической цепи (частиц первоматерии) - ∑ m н. т. ., после преобразования разного количества материи , выброшенных частиц, в первоматерию, на всех её участках , состоящих из материалов разной проводимости (с разным коэффициентом Холла), одинакова .

Подобное возможно только при условии, что в момент преобразования происходит и изменение величины преобразуемой массы , по причине разной скорости движения частиц, что приводит к уравниванию выбросов. Скорость выхода электрона и позитрона из атома в электрическую цепь обусловлена их орбитальными скоростями, а они разные - v э. > v п. .. И при большей скорости будет больше величина добавки - ∆ m .

∑ m н. т. = m э. (v э. ) = m п .(v п. ) (8)

Практика показывает, что в электрической цепи, состоящей из материалов с разным коэффициентом Холла, величина тока на всех её участках одна и та же. Значит, полный заряд, состоящий из суммы элементарных носителей тока (первочастиц) ∑ q н. т ., циркулирующий в цепи, тоже постоянен. И, учитывая (7) и (8), следу положить равенство (9) и тождество (10).

U ∑ q н. т. = U (q э. + q п. ) = m э. C 2 + m п. V 2 (9)

∑ q н. т. = q э + q п. ≡ ∑ m н. т. = m э. + m п. (10)

А из этого следует, что заряд носителя – это его масса , выраженная в электрических единицах . Значит, эти физические параметры частицы – m и q , через соответствующий коэффициент – k , можно приравнять и получить механическую электромагнитную массу (11).

m = k q, где k имеет размерность [кг /Кл] . (11)

Можно выразить электромагнитную массу и через параметры электромагнитного поля, но это вопрос уже другой темы.

Библиография

1. Сатаева О, Афанасьев Т. КТО МЫ И ОТКУДА? /О. Сатаева, Т. Афанасьев. //Размышления, подкреплённые материалом из монографии «Мы не одиноки во Вселенной», - 1-е изд. – Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007. – 208 с.

Появились новые подтверждения тому, что одна из важнейших констант современной физики меняется со временем – и в разных частях Вселенной по-разному.

http://www.popmech.ru/images/upload/article/const_1_1283782005_full.jpg

Квазар – точечный источник излучения, характеризующийся чрезвычайно высокой интенсивностью и изменчивостью. По современным теориям, квазары представляют собой активные центры молодых галактик с расположенными в их центрах черными дырами, которые с особенным аппетитом поглощают материю Почему Вселенная такова, какова есть? Почему численные соотношения безразмерных констант именно такие, какими мы их знаем? Почему пространство имеет три протяженных измерения? Почему существует именно фундаментальных взаимодействия, а не, скажем, пять? Почему, наконец, все в ней так сбалансировано и точно «подогнано» одно под другое? Сегодня популярно считать, что если б что-то было иначе, если б одна из базовых констант была иной, мы просто не могли бы задаваться этими вопросами. Такой подход называется антропным принципом: если б константы соотносились иначе, не могли б образоваться устойчивые элементарные частицы, если б у пространства было больше измерений, планеты не могли бы обрести устойчивые орбиты и так далее. Иначе говоря, не смогла бы образоваться Вселенная – и уж тем более не могли бы развиться такие разумные организмы, как мы с вами. (Подробнее об антропном принципе рассказывается в статье «Человеколюбивое мироздание».) В общем, мы появились просто в нужном месте – в единственном, где могли появиться. А возможно, и в нужном времени, о чем говорит недавнее громкое исследование одной из фундаментальных физических констант. Речь о постоянной тонкой структуры, величине безразмерной и ни из каких формул не выводимой. Устанавливается она эмпирически, как отношение скорости вращения электрона (находящегося на Боровском радиусе) к скорости света, и равна 1/137,036. Она характеризует силу взаимодействия электрических зарядов с фотонами. Несмотря на то, что называется она постоянной, физики уже не первое десятилетие дискутируют о том, насколько постоянна эта константа на самом деле. Несколько «скорректированное» ее значение для разных случаев могло бы решить определенные проблемы в современной космологии и астрофизике. А с выходом на сцену Теории струн многие ученые вообще склоняются к тому, что и прочие константы могут быть не столь уж неизменными. Изменения в постоянной тонкой структуре могли бы косвенно свидетельствовать о реальном существовании дополнительных свернутых измерений Вселенной, что абсолютно необходимо в Теории струн. Все это подстегнуло поиски доказательств – или опровержений – тому, что постоянная тонкой структуры может быть иной в других точках пространства и (или) времени. Благо, для того, чтобы оценить ее, можно воспользоваться таким доступным инструментом, как спектроскопия (постоянная тонкой структуры как раз и была введена для интерпретации спектроскопических наблюдений), а для того, чтобы «заглянуть в прошлое», достаточно посмотреть на далекие звезды. Поначалу эксперименты, казалось, опровергали возможность изменений этой постоянной, но по мере того, как инструменты становились все совершенней, можно было оценивать ее величину на все большем удалении и со все большей точностью, стали появляться более интересные свидетельства. В 1999-м, например, австралийские астрономы во главе с Джоном Уэббом (John Webb) проанализировали спектры 128-ми далеких квазаров и показали, что некоторые их параметры могут объясняться постепенным ростом постоянной тонкой структуры на протяжении последних 10-12 млрд лет. Однако эти результаты были крайне спорными. Скажем, работа, датируемая 2004-м, напротив, не обнаружила заметных изменений. А уже на днях тот же Джон Уэбб выступил с новым сенсационным сообщением – новая его работа названа некоторыми специалистами «открытием года» в физике. Ранее, в конце 1990-х Уэбб с коллегами работали с обсерваторией Keck на Гавайях и наблюдали квазары северной небесной полусферы. Тогда они пришли к выводу, что 10 млрд лет назад постоянная тонкой структуры была примерно на 0,0001 меньше и с тех пор немного «подросла». Теперь же, поработав с телескопом VLT обсерватории ESO в Чили и пронаблюдав 153 квазара южной полусферы, они получили те же результаты, но… с обратным знаком. Постоянная тонкой структуры «в южном направлении» 10 млрд лет назад была на 0,0001 больше и с тех пор «уменьшилась». Эти различия, названные исследователями «австралийским диполем», имеют высокую статистическую достоверность. А главное – они могут свидетельствовать о фундаментальной асимметрии нашего мироздания, которое может наблюдаться и в пространстве, и во времени. Возвращаясь к антропному принципу, с которого мы начали, можно сказать, что мы родились не только в идеальном месте, но и в идеальное время.

По информации Physics World

Каким невообразимо странным был бы мир, если бы физические константы могли изменяться! Например, так называемая постоянная тонкой структуры примерно равна 1/137. Если бы она имела другую величину, то между веществом и энергией, возможно, не было бы никакого различия.

Есть вещи, которые никогда не меняются. Ученые называют их физическими константами, или мировыми постоянными. Считается, что скорость света $c$, гравитационная постоянная $G$, масса электрона $m_e$ и некоторые другие величины всегда и везде остаются неизменными. Они образуют основу, на которой зиждутся физические теории, и определяют структуру Вселенной.

Физики прилагают немало усилий, чтобы измерить мировые постоянные со все более высокой точностью, но никому еще не удалось хоть как-то объяснить, почему их значения именно таковы, каковы они есть. В системе СИ $c = 299792458$ м/с, $G = 6,673\cdot 10^{–11}Н\cdot$м$^2$/кг$^2$, $m_e = 9,10938188\cdot10^{–31}$ кг – совершенно не связанные между собой величины, у которых есть лишь одно общее свойство: изменись они хоть немного, и существование сложных атомных структур, в том числе живых организмов, окажется под большим вопросом. Стремление обосновать значения констант стало одним из стимулов к разработке единой теории, полностью описывающей все существующие явления. С ее помощью ученые надеялись показать, что у каждой мировой постоянной может быть только одно возможное значение, обусловленное внутренними механизмами, которые определяют обманчивую произвольность природы.

Лучшим кандидатом на звание единой теории считается М-теория (вариант теории струн), которую можно считать состоятельной в том случае, если Вселенная имеет не четыре пространственно-временных измерения, а одиннадцать. Следовательно, наблюдаемые нами постоянные фактически могут и не быть действительно фундаментальными. Истинные константы существуют в полном многомерном пространстве, а мы видим лишь их трехмерные «силуэты».

ОБЗОР: МИРОВЫЕ КОНСТАНТЫ

1. Во многих физических уравнениях встречаются величины, которые считаются неизменными всюду – в пространстве и времени.

2. В последнее время ученые сомневаются в постоянстве мировых констант. Сравнивая результаты наблюдений квазаров и лабораторных измерений, они приходят к выводу, что химические элементы в далеком прошлом поглощали свет не так, как сегодня. Различие можно объяснить изменением на несколько миллионных долей постоянной тонкой структуры.

3. Подтверждение даже столь малого изменения станет настоящим переворотом в науке. Наблюдаемые константы могут оказаться лишь «силуэтами» истинных постоянных, существующих в многомерном пространстве-времени.

Тем временем физики пришли к выводу, что величины многих постоянных могут быть результатом случайных событий и взаимодействий между элементарными частицами на ранних стадиях истории Вселенной. Теория струн допускает существование огромного количества ($10^{500}$) миров с различными самосогласованными наборами законов и констант (см. «Пейзаж теории струн», «В мире науки», №12, 2004 г. ). Пока же ученые понятия не имеют, почему была отобрана наша комбинация. Возможно, в результате дальнейших исследований количество логически возможных миров снизится до одного, но не исключено, что наша Вселенная – это лишь небольшой участок мультивселенной, в которой реализованы различные решения уравнений единой теории, а мы наблюдаем просто один из вариантов законов природы (см. «Параллельные Вселенные» , «В мире науки», №8, 2003 г. ).В таком случае для многих мировых констант нет никакого объяснения, кроме того, что они составляют редкую комбинацию, допускающую развитие сознания. Возможно, наблюдаемая нами Вселенная стала одним из многих изолированных оазисов, окруженных бесконечностью безжизненного космического пространства – сюрреалистического места, где господствуют совершенно чуждые нам силы природы, а частицы типа электронов и структуры типа атомов углерода и молекул ДНК просто невозможны. Попытка попасть туда обернулась бы неминуемой гибелью.

Теория струн была разработана в том числе и для того, чтобы объяснить кажущуюся произвольность физических постоянных, поэтому в ее основных уравнениях содержится всего несколько произвольных параметров. Но пока она не объясняет наблюдаемые значения констант.

Надежная линейка

На самом деле употребление слова «постоянная» не совсем правомерно. Наши константы могли бы изменяться во времени и в пространстве. Если бы дополнительные пространственные измерения изменялись в размере, константы в нашем трехмерном мире менялись бы вместе с ними. И если бы мы заглянули достаточно далеко в пространство, то могли бы увидеть области, где константы приняли другие значения. Начиная с 1930-х гг. ученые размышляли о том, что константы могут и не быть постоянными. Теория струн придает этой идее теоретическое правдоподобие и делает тем более важным поиск непостоянства.

Первая проблема состоит в том, что сама лабораторная установка может быть чувствительна к изменениям констант. Размеры всех атомов могли бы возрасти, но если бы линейка, которую используют для измерений, тоже стала длиннее, ничего нельзя было бы сказать об изменении размеров атомов. Экспериментаторы обычно предполагают, что эталоны величин (линейки, гири, часы) неизменны, но этого невозможно достичь при проверке констант. Исследователи должны обратить внимание на безразмерные константы – просто числа, не зависящие от системы единиц измерения, например, отношение массы протона к массе электрона.

Изменяется ли внутреннее строение мироздания?

Особый интерес представляет величина $\alpha = e^2/2\epsilon_0 h c$, объединяющая скорость света $c$, электрический заряд электрона $e$, постоянную Планка $h$ и так называемую диэлектрическую постоянную вакуума $\epsilon_0$. Ее называют постоянной тонкой структуры. Впервые она была введена в 1916 г. Арнольдом Зоммерфельдом, который одним из первых попытался применить квантовую механику к электромагнетизму: $\alpha$ связывает релятивистскую (c) и квантовую (h) характеристики электромагнитных (e) взаимодействий, в которых участвуют заряженные частицы в пустом пространстве ($\epsilon_0$). Измерения показали, что эта величина равна 1/137,03599976 (приблизительно 1/137).

Если бы $\alpha $ имела другое значение, то изменился бы весь окружающий мир. Будь она меньше, плотность твердого вещества, состоящего из атомов, уменьшилась бы (про порционально $\alpha^3 $), молекулярные связи разрывались бы при более низких температурах ($\alpha^2 $), а число устойчивых элементов в таблице Менделеева могло бы возрасти ($1/\alpha $). Окажись $\alpha $ слишком большой, малые атомные ядра не могли бы существовать, потому что связывающие их ядерные силы не смогли бы препятствовать взаимному отталкиванию протонов. При $\alpha >0.1 $ не мог бы существовать углерод.

Ядерные реакции в звездах особенно чувствительны к величине $\alpha $. Чтобы мог происходить ядерный синтез, тяготение звезды должно создавать достаточно высокую температуру, чтобы заставить ядра сближаться, несмотря на их тенденцию отталкиваться друг от друга. Если бы $\alpha $ превышала 0,1, то синтез был бы невозможен (если, конечно, другие параметры, например, отношение масс электрона и протона, остались прежними). Изменение $\alpha$ всего на 4% до такой степени повлияло бы на энергетические уровни в ядре углерода, что его возникновение в звездах просто прекратилось бы.

Внедрение ядерных методов

Вторая, более серьезная, экспериментальная проблема связана с тем, что для измерения изменений констант требуется высокоточное оборудование, которое должно быть чрезвычайно стабильным. Даже с помощью атомных часов дрейф постоянной тонкой структуры можно отслеживать на протяжении лишь нескольких лет. Если бы $\alpha $ изменялась больше чем на 4 $\cdot$ $10^{–15}$ за три года, самые точные часы позволили бы это обнаружить. Однако ничего подобного пока зарегистрировано не было. Казалось бы, чем не подтверждение постоянства? Но три года для космоса – мгновение. Медленные, но существенные изменения в течение истории Вселенной могут пройти незамеченными.

СВЕТ И ПОСТОЯННАЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ

К счастью, физики нашли другие способы проверки. В 1970-х гг. ученые французской Комиссии по ядерной энергии заметили некоторые особенности в изотопном составе руды из урановой шахты в Окло в Габоне (Западная Африка): она напоминала отходы ядерного реактора. Видимо, приблизительно 2 млрд. лет назад в Окло образовался естественный ядерный реактор (см. «Божественный реактор», «В мире науки», №1, 2004 г.).

В 1976 г. Александр Шляхтер (Alexander Shlyakhter) из Ленинградского института ядерной физики заметил, что работоспособность естественных реакторов критически зависит от точной энергии определенного состояния ядра самария, которое обеспечивает захват нейтронов. А сама энергия сильно связана с величиной $\alpha $. Так, если бы постоянная тонкой структуры была немного другой, никакая цепная реакция, возможно, не произошла бы. Но она действительно происходила, а значит, за прошедшие 2 млрд. лет постоянная не изменилась больше, чем на 1 $\cdot$ $10^{–8}$. (Физики продолжают спорить о точных количественных результатах из-за неизбежной неуверенности в условиях в естественном реакторе.)

В 1962 г. Джеймс Пиблс (P. James E. Peebles) и Роберт Дик (Robert Dicke) из Принстонского университета первыми применили подобный анализ к древним метеоритам: относительная распространенность изотопов, являющаяся результатом их радиоактивного распада, зависит от $\alpha $. Самое чувствительное ограничение связано с бета-распадом при превращении рения в осмий. Согласно недавней работе Кейта Олива (Keith Olive) из Миннесотского университета и Максима Поспелова (Maxim Pospelov) из Университета Виктории в Британской Колумбии, в то время, когда формировались метеориты, $\alpha$ отличалась от нынешнего значения на 2 $\cdot$ $10^{–6}$. Этот результат менее точен, чем данные, полученные в Окло, но он уходит дальше в глубь времен, к возникновению Солнечной системы 4,6 млрд. лет назад.

Чтобы исследовать возможные изменения на еще более длинных промежутках времени, исследователи должны обратить взор к небесам. Свет от отдаленных астрономических объектов идет к нашим телескопам миллиарды лет и несет отпечаток законов и мировых констант тех времен, когда он только начал свое путешествие и взаимодействие с веществом.

Спектральные линии

Астрономы ввязались в историю с константами вскоре после открытия квазаров в 1965 г., которые были только что обнаружены и идентифицированы как яркие источники света, расположенные на огромных расстояниях от Земли. Поскольку путь света от квазара до нас настолько велик, он неизбежно пересекает газообразные окрестности молодых галактик. Газ поглощает свет квазара на специфических частотах, отпечатывая штрих-код из узких линий на его спектре (см. врезку внизу).

ПОИСК ИЗМЕНЕНИЙ В ИЗЛУЧЕНИИ КВАЗАРА

Когда газ поглощает свет, электроны, содержащиеся в атомах, перескакивают с низких энергетических уровней на более высокие. Уровни энергии определяются тем, насколько сильно атомное ядро удерживает электроны, что зависит от силы электромагнитного взаимодействия между ними и, следовательно, от постоянной тонкой структуры. Если она была другой в тот момент времени, когда свет был поглощен, или в какой-то конкретной области Вселенной, где это происходило, то энергия, требуемая для перехода электрона на новый уровень, и длины волн переходов, наблюдаемых в спектрах, должны отличаться от наблюдаемых сегодня в лабораторных экспериментах. Характер изменения длин волн критически зависит от распределения электронов на атомных орбитах. При заданном изменении $\alpha$ одни длины волн уменьшаются, другие – увеличиваются. Сложную картину эффектов трудно спутать с ошибками калибровки данных, что делает такой эксперимент чрезвычайно полезным.

Приступив к работе семь лет назад, мы столкнулись с двумя проблемами. Во-первых, длины волн многих спектральных линий не были измерены с достаточной точностью. Как ни странно, о спектрах квазаров, удаленных на миллиарды световых лет, ученые знали гораздо больше, чем о спектрах земных образцов. Нам нужны были лабораторные измерения высокой точности, чтобы сравнить с ними спектры квазара, и мы убедили экспериментаторов провести соответствующие измерения. Они были выполнены Энн Торн (Anne Thorne) и Джульет Пикеринг (Juliet Pickering) из Имперского колледжа в Лондоне, а затем группами во главе со Свенериком Иохансоном (Sveneric Johansson) из Лундской обсерватории в Швеции, а также Ульфом Грисманном (Ulf Griesmann) и Рэйнером Клингом (Rainer Kling) из Национального института стандартов и технологии в штате Мэриленд.

Вторая проблема состояла в том, что предыдущие наблюдатели использовали так называемые щелочные дублеты – пары линий поглощения, возникающие в атомарных газах углерода или кремния. Они сравнивали интервалы между этими линиями в спектрах квазара с лабораторными измерениями. Однако такой метод не позволял использовать одно специфическое явление: вариации $\alpha $ вызывают не только изменение интервала между уровнями энергии атома относительно уровня с самой низкой энергией (основное состояние), но и изменение положения самого основного состояния. Фактически второй эффект даже более силен, чем первый. В результате точность наблюдений составила всего 1 $\cdot$ $10^{–4}$.

В 1999 г. один из авторов статьи (Веб) и Виктор Фламбаум (Victor V. Flambaum) из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии разработали методику, позволяющую принимать во внимание оба эффекта. В результате чувствительность удалось увеличить в 10 раз. Кроме того, появилась возможность сравнивать различные виды атомов (например, магний и железо) и проводить дополнительные перекрестные проверки. Пришлось выполнить сложные расчеты, чтобы точно установить, как наблюдаемые длины волн меняются в атомах различных типов. Вооружившись современными телескопами и датчиками, мы решили проверить постоянство $\alpha $ с беспрецедентной точностью по новому методу многих мультиплетов.

Пересмотр взглядов

Приступая к экспериментам, мы просто хотели с более высокой точностью установить, что величина постоянной тонкой структуры в древние времена была такой же, как сегодня. К нашему удивлению, результаты, полученные в 1999 г., показали небольшие, но статистически существенные различия, которые впоследствии подтвердились. Используя данные по 128 линиям поглощения квазара, мы зарегистрировали увеличение $\alpha$ на 6 $\cdot$ $10^{–6}$ за прошедшие 6–12 млрд. лет.

Результаты измерений постоянной тонкой структуры не позволяют сделать окончательных выводов. Некоторые из них указывают, что когда-то она была меньше, чем сейчас, а некоторые – нет. Возможно, α менялась в далеком прошлом, но теперь стала постоянной. (Прямоугольники изображают диапазон изменения данных.)

Смелые утверждения требуют состоятельных доказательств, так что первым нашим шагом стал тщательный пересмотр методов сбора данных и их анализа. Ошибки измерения можно разделить на два типа: систематические и случайные. Со случайными неточностями все просто. В каждом отдельном измерении они принимают разные значения, которые при большом количестве измерений усредняются и стремятся к нулю. С систематическими ошибками, которые не усредняются, бороться труднее. В астрономии неопределенности такого рода встречаются на каждом шагу. В лабораторных экспериментах настройку приборов можно менять, чтобы минимизировать ошибки, но астрономы не могут «подстроить» Вселенную, и им приходится признавать, что все их методы сбора данных содержат неустранимые смещения. Например, наблюдаемое пространственное распределение галактик заметно смещено в сторону ярких галактик, потому что их легче наблюдать. Идентификация и нейтрализация таких смещений – постоянная задача для наблюдателей.

Сначала мы обратили внимание на возможное искажение масштаба длин волн, относительно которого измерялись спектральные линии квазара. Оно могло возникнуть, например, во время переработки «сырых» результатов наблюдения квазаров в калиброванный спектр. Хотя простое линейное растяжение или сжатие масштаба длины волны не могло точно имитировать изменение $\alpha$, даже приблизительного сходства было бы достаточно для объяснения полученных результатов. Постепенно мы исключили простые ошибки, связанные с искажениями, подставляя вместо результатов наблюдения квазара калибровочные данные.

Более двух лет мы разбирались с различными причинами смещения, чтобы убедиться, что их влияние пренебрежимо мало. Мы обнаружили только один потенциальный источник серьезных ошибок. Речь идет о линиях поглощения магния. Каждый из трех устойчивых его изотопов поглощает свет с разными длинами волн, которые очень близки друг к другу и в спектрах квазаров видны как одна линия. Исходя из лабораторных измерений относительной распространенности изотопов, исследователи судят о вкладе каждого из них. Их распределение в молодой Вселенной могло бы существенно отличаться от современного, если бы звезды, которые испускали магний, в среднем были более тяжелыми, чем их сегодняшние аналоги. Такие различия могли бы имитировать изменение $\alpha $.Но результаты исследования, опубликованного в этом году, указывают, что наблюдаемые факты не так легко объяснить. Йеш Феннер (Yeshe Fenner) и Брэд Гибсон (Brad K. Gibson) из Технологического университета Суинберна в Австралии и Майкл Мэрфи (Michael T. Murphy) из Кембриджского университета пришли к выводу, что распространенность изотопов, необходимая для имитации изменения $\alpha$, приводила бы также к избыточному синтезу азота в ранней Вселенной, что совершенно не соответствует наблюдениям. Таким образом, мы должны смириться с вероятностью того, что $\alpha $ действительно изменялась.

ИНОГДА МЕНЯЕТСЯ, ИНОГДА – НЕТ

Согласно гипотезе, выдвинутой авторами статьи, в одни периоды космической истории постоянная тонкой структуры оставалась неизменной, а в другие – возрастала. Экспериментальные данные (см. предыдущую врезку) согласуются с этим предположением.

Научное сообщество сразу оценило значение полученных нами результатов. Исследователи спектров квазаров всего мира тут же занялись измерениями. В 2003 г. научно-исследовательские группы Сергея Левшакова (Sergei Levshakov) из Санкт-Петербургского физикотехнического института им. Иоффе и Ральфа Кваста (Ralf Quast) из Гамбургского университета изучили три новые системы квазаров. В прошлом году Хам Чанд (Hum Chand) и Рагунатан Шринанд (Raghunathan Srianand) из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Индии, Патрик Птижан (Patrick Petitjean) из Института астрофизики и Бастьен Арасиль (Bastien Aracil) из LERMA в Париже проанализировали еще 23 случая. Ни одна из групп не обнаружила изменения $\alpha $. Чанд утверждает, что любое изменение за интервал от 6 до 10 млрд. лет назад должно быть меньше, чем одна миллионная.

Почему похожие методики, использованные для анализа различных исходных данных, привели к такому радикальному несоответствию? Ответ пока неизвестен. Результаты, полученные упомянутыми исследователями, имеют превосходное качество, но объем их выборок и возраст проанализированного излучения существенно меньше, чем у нас. К тому же Чанд использовал упрощенную версию многомультиплетного метода и не проводил полную оценку всех экспериментальных и систематических ошибок.

Известный астрофизик Джон Бэкол (John Bahcall) из Принстона подверг критике сам многомультиплетный метод, но проблемы, на которые он обращает внимание, относятся к категории случайных ошибок, которые сводятся к минимуму при использовании больших выборок. Бэкол, а также Джефри Ньюман (Jeffrey Newman) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли рассматривали линии испускания, а не поглощения. Их подход намного менее точен, хотя в будущем, возможно, окажется полезным.

Законодательная реформа

Если наши результаты окажутся правильными, последствия будут огромны. До недавнего времени все попытки оценить, что произошло бы с Вселенной, если бы постоянная тонкой структуры изменилась, были неудовлетворительными. Они не шли дальше рассмотрения $\alpha$ как переменной в тех же формулах, которые были получены в предположении, что она постоянна. Согласитесь, весьма сомнительный подход. Если $\alpha $ изменяется, то энергия и импульс в связанных с ней эффектах должны сохраняться, что должно влиять на гравитационное поле во Вселенной. В 1982 г. Якоб Бекенштейн (Jacob D. Bekenstein) из Еврейского университета в Иерусалиме впервые обобщил законы электромагнетизма для случая непостоянных констант. В его теории $\alpha $ рассматривается как динамическая компонента природы, т.е. как скалярное поле. Четыре года назад один из нас (Бэрроу) вместе с Хеуордом Сэндвиком (Håvard Sandvik) и Хояо Магуэйхо (João Magueijo) из Имперского колледжа в Лондоне расширили теорию Бекенштейна, включив в нее учет сил тяготения.

Предсказания обобщенной теории заманчиво просты. Поскольку электромагнетизм в космических масштабах намного слабее гравитации, изменения $\alpha$ на несколько миллионных не оказывают на расширение Вселенной заметного влияния. А вот расширение существенно влияет на $\alpha $ за счет несоответствия между энергиями электрического и магнитного полей. В течение первых десятков тысяч лет космической истории излучение доминировало над заряженными частицами и поддерживало баланс между электрическим и магнитным полями. По мере расширения Вселенной излучение разреживалось, и доминирующим элементом космоса стало вещество. Электрические и магнитные энергии оказались неравными, и $\alpha $ начала возрастать пропорционально логарифму времени. Приблизительно 6 млрд. лет назад начала преобладать темная энергия, ускорившая расширение, которое затрудняет распространение всех физических взаимодействий в свободном пространстве. В результате $\alpha$ снова стала почти постоянной.

Описанная картина согласуется с нашими наблюдениями. Спектральные линии квазара характеризуют тот период космической истории, когда доминировала материя и $\alpha$ возрастала. Результаты лабораторных измерений и исследований в Окло соответствуют периоду, когда доминирует темная энергия и $\alpha$ постоянна. Особенно интересно дальнейшее изучение влияния изменения $\alpha$ на радиоактивные элементы в метеоритах, потому что оно позволяет исследовать переход между двумя названными периодами.

Альфа – это только начало

Если постоянная тонкой структуры изменяется, то материальные объекты должны падать по-разному. В свое время Галилей сформулировал слабый принцип эквивалентности, согласно которому тела в вакууме падают с одинаковой скоростью независимо от того, из чего они состоят. Но изменения $\alpha$ должны порождать силу, действующую на все заряженные частицы. Чем больше протонов содержит атом в своем ядре, тем сильнее он будет чувствовать ее. Если выводы, сделанные при анализе результатов наблюдения квазаров, верны, то ускорение свободного падения тел из различных материалов должно отличаться примерно на 1 $\cdot$ $10^{–14}$. Это в 100 раз меньше, чем можно измерить в лаборатории, но достаточно много, чтобы обнаружить различия в таких экспериментах, как STEP (проверка принципа эквивалентности в космосе).

В предыдущих исследованиях $\alpha $ ученые пренебрегали неоднородностью Вселенной. Подобно всем галактикам, наш Млечный путь приблизительно в миллион раз более плотен, чем космическое пространство в среднем, так что он не расширяется вместе со Вселенной. В 2003 г. Бэрроу и Дэвид Мота (David F. Mota) из Кембриджа вычислили, что $\alpha$ может вести себя по-разному в пределах галактики и в более пустых областях пространства. Как только молодая галактика уплотняется и, релаксируя, приходит в гравитационное равновесие, $\alpha$ становится постоянной внутри галактики, но продолжает меняться снаружи. Таким образом, эксперименты на Земле, в которых проверяется постоянство $\alpha$, страдают от предвзятого выбора условий. Нам еще предстоит разобраться, как это сказывается на проверке слабого принципа эквивалентности. Никакие пространственные вариации $\alpha$ пока еще не были замечены. Полагаясь на однородность реликтового излучения, Бэрроу недавно показал, что $\alpha $ не изменяется больше чем на 1 $\cdot$ $10^{–8}$ между областями небесной сферы, отстоящими на $10^o$.

Нам остается ждать появления новых данных и проведения новых исследований, которые окончательно подтвердят или опровергнут гипотезу об изменении $\alpha $. Исследователи сосредоточились именно на этой константе просто потому, что эффекты, обусловленные ее вариациями, легче заметить. Но если $\alpha $ действительно непостоянна, то другие константы тоже должны изменяться. В таком случае нам придется признать, что внутренние механизмы природы гораздо сложнее, чем мы предполагали.

ОБ АВТОРАХ:
Джон Бэрроу (John D. Barrow) , Джон Веб (John K. Webb) занялись исследованием физических постоянных в 1996 г. во время совместного творческого отпуска в Сассекском университете в Англии. Тогда Бэрроу исследовал новые теоретические возможности изменения констант, а Веб занимался наблюдениями квазаров. Оба автора пишут научно-популярные книги и часто выступают в телевизионных программах.

Зоммерфельда, было отношение двух угловых моментов, которые возникают в теории движения электрона по кеплеровским орбитам, - так называемого предельного момента , который отвечает за движение перицентра при релятивистском рассмотрении, и момента , соответствующего первому квантовому состоянию. Позже, в своей известной книге «Строение атома и спектры» , Зоммерфельд вводил , как отношение скорости электрона на первой круговой орбите в боровской модели атома к скорости света . Эта величина использовалась далее для расчёта тонкого расщепления спектральных линий водородоподобных атомов.

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

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 .

Постоянство величины

Исследование вопроса о том, действительно ли постоянная тонкой структуры является постоянной, то есть всегда ли она имела современное значение или менялась за время существования Вселенной , имеет долгую историю . Первые идеи такого рода появились в 1930-е годы, вскоре после открытия расширения Вселенной , и преследовали цель сохранить статическую модель Вселенной за счёт изменения фундаментальных констант со временем. Так, в статье Дж. и Б. Чалмерсов предлагалось объяснение наблюдаемого красного смещения спектральных линий галактик за счёт одновременного возрастания элементарного заряда и постоянной Планка (это должно приводить и к временно́й зависимости ). В ряде других публикаций предполагалось, что постоянная тонкой структуры остаётся неизменной при одновременной вариации составляющих её констант.

Серьёзной проверке вопрос об изменении постоянной тонкой структуры со временем был подвергнут в 1967 году. Инициатором выступил Георгий Гамов , который, отказываясь принять дираковскую идею об изменении гравитационной постоянной, заменил её гипотезой о вариации элементарного заряда и, как следствие, . Он также показал, что это предположение можно проверить наблюдениями тонкой структуры спектров удалённых галактик. Против предположения Гамова были выдвинуты возражения ядерно-физического и геологического характера, с которыми выступили Фримен Дайсон и Ашер Перес (Asher Peres ) . Прямую экспериментальную проверку гипотезы Гамова предприняли Джон Баколл (John N. Bahcall ) и Маартен Шмидт , измерившие дублеты тонкого расщепления пяти радиогалактик с красным смещением . Из опыта следовало отношение измеренного значения постоянной тонкой структуры к её лабораторной величине , что противоречило предсказанию в случае (см. также обзор ). Гамов быстро признал своё поражение. Не выявили каких-либо изменений постоянной тонкой структуры и исследования природного ядерного реактора в Окло , проведённые в 1970-е годы . Все эти работы позволили установить весьма жёсткие ограничения на возможную скорость и характер изменения и других фундаментальных констант.

Тем не менее, к началу 2000-х годов усовершенствования в методиках астрономических наблюдений дали основание считать, что постоянная тонкой структуры, возможно, меняла своё значение с течением времени: анализ линий поглощения в спектрах квазаров позволил предположить , что относительная скорость изменения составляет около в год. Исследовались также последствия возможного изменения постоянной тонкой структуры для космологии . Однако более детальные наблюдения квазаров , сделанные в апреле 2004 года при помощи спектрографа UVES на одном из 8,2-метровых телескопов телескопа Паранальской обсерватории в Чили , показали, что возможное изменение не может быть больше, чем 0,6 миллионной доли () за последние десять миллиардов лет (см. статьи и пресс-релиз ). Поскольку это ограничение противоречит более ранним результатам, то вопрос о том, постоянна ли , считается открытым.

Попытки рассчитать (включая нумерологию)

Ранние попытки

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» . Предпринималось большое количество попыток выразить эту постоянную через чисто математические величины или вычислить на основе каких-либо физических соображений. Так, ещё в 1914 году химики Гилберт Льюис и Эллиот Адамс (Elliot Quincy Adams ), отталкиваясь от выражения для константы Стефана , после некоторых предположений выразили постоянную Планка через заряд электрона и скорость света. Если составить из их формулы постоянную тонкой структуры, которая тогда ещё не была известна, получится

Работа Льюиса и Адамса не прошла незамеченной и была подхвачена некоторыми другими учёными . Герберт Стэнли Аллен (H. Stanley Allen ) в своей статье явным образом сконструировал вышеуказанную безразмерную величину (обозначив её через ) и попытался связать её с величиной заряда и массы электрона; он также указал на примерное соотношение между массами электрона и протона . В 1922 году чикагский физик Артур Лунн (Arthur C. Lunn ) предположил , что постоянная тонкой структуры каким-то образом связана с ядерным дефектом массы , а также рассмотрел её возможную связь с гравитацией посредством соотношения ( - ньютоновская гравитационная постоянная). Кроме того, он предложил несколько чисто алгебраических выражений для , а именно: , , , .

Первую попытку связать постоянную тонкой структуры с параметрами Вселенной предпринял в 1925 году ливерпульский физик Джеймс Райс (James Rice ), находившийся под большим впечатлением от работ астрофизика Артура Эддингтона по объединению общей теории относительности с электромагнетизмом . В своей первой статье Райс пришёл к следующему выражению, связывающему с радиусом кривизны Вселенной ,

где - электромагнитный радиус электрона, - гравитационный радиус электрона. Однако вскоре он обнаружил в своих вычислениях грубую ошибку и в следующей заметке представил исправленный вариант соотношения, а именно:

Положив для радиуса Вселенной величину см, Райс получил .

Теория Эддингтона

Другие попытки середины XX века

Хотя некоторые ведущие физики (Зоммерфельд , Шрёдингер , Йордан) с интересом отнеслись к теории Эддингтона, вскоре стала ясна трудность согласования с экспериментом; кроме того, было трудно понять методику Эддингтона. По меткому выражению Вольфганга Паули , это была скорее «романтическая поэзия, а не физика». Тем не менее, эта теория породила множество последователей, предлагавших свои более или менее спекулятивные подходы к анализу происхождения постоянной тонкой структуры . Так в 1929 году Владимир Рожанский (Vladimir Rojansky ) фактически «переоткрыл» соотношение Аллена между массами протона и электрона , а Энос Уитмер (Enos Witmer ) предложил соотношение между массами атомов гелия и водорода в виде

Аналогичные попытки связать с другими константами природы (в особенности с ) предпринимали примерно в это время Вильгельм Андерсон (Wilhelm Anderson ) , Рейнгольд Фюрт (Reinhold Fürth ) , Вальтер Глазер (Walter Glaser ) и Курт Зитте (Kurt Sitte ) (они определили максимальное количество химических элементов как ), Артур Гааз (Arthur Erich Haas ) , Альфред Ланде и другие. Большое количество такого рода работ побудило физиков Гвидо Бека , Ханса Бете и Вольфганга Рицлера (Wolfgang Riezler ) послать в журнал Die Naturwissenschaften шуточную заметку «К квантовой теории абсолютного нуля температуры» . Эта статья пародировала поиски нумерологических формул для физических констант и предлагала «объяснение» тому факту, что постоянная тонкой структуры примерно равна , где °C - абсолютный нуль температуры. Редакция журнала не осознала пародийного характера заметки и опубликовала её на страницах издания. Когда истина открылась, эта шутка вызвала гнев редактора журнала Арнольда Берлинера (Arnold Berliner ), так что, по настоянию Зоммерфельда, Бете был вынужден извиниться за свой поступок .

После открытия мюона в 1937 году возникли спекулятивные предположения о связи новой частицы с константами природы. Согласно Патрику Блэкетту , возможна связь между гравитацией и временем жизни мюона в виде

где - масса мюона. Генри Флинт (Henry Flint ), основываясь на соображениях 5-мерного расширения теории относительности, получил соотношение . Среди более поздних попыток можно отметить чисто нумерологическое соотношение между массами протона и электрона, появившееся в чрезвычайно короткой заметке некоего Фридриха Ленца (Friedrich Lenz ), и гласившее: . В 1952 году Ёитиро Намбу указал , что массы элементарных частиц тяжелее электрона можно описать следующей эмпирической формулой:

где - целое число. Например, для получается масса мюона (), для - масса пиона (), для - приблизительная масса нуклонов ().

Более научно обоснованными были попытки рассчитать величину постоянной тонкой структуры, предпринятые Максом Борном и Вернером Гейзенбергом на основе их обобщений существующих полевых теорий . Борн при помощи своего подхода, основанного на «принципе взаимности» (см., например, работы ), к концу 1940-х годов смог получить лишь оценку, которая дала . Гейзенбергу в рамках его нелинейной теории поля также удалось получить согласие с экспериментальным значением постоянной лишь по порядку величины.

Современные попытки

Возможна и ассоциация с предполагаемой размерностью пространства-времени : в одной из самых многообещающих теорий последнего времени - так называемой «М-теории », развивающейся как обобщение теории суперструн и претендующей на описание всех физических взаимодействий и элементарных частиц - пространство-время полагается 11-мерным. При этом одно измерение на макроуровне воспринимается как время, еще три - как макроскопические пространственные измерения, остальные семь - это так называемые «свернутые» (квантовые) измерения, ощущаемые только на микро-уровне. ПТС при этом объединяет числа 1, 3 и 7 с множителями, кратными десяти, причем 10 можно интерпретировать как суммарную размерность пространства в теории суперструн.

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

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

В недавней статье А. Ольчака приводится более компактная и внятная формула, аппроксимирующая постоянную тонкой структуры с не худшей точностью, чем формула Гилсона. Величина ПТС при этом связывается с ключевой для динамики хаоса постоянной Фейгенбаума . Эта постоянная, в самых общих словах, характеризует скорость приближения решений нелинейных динамических систем к состоянию «неустойчивости в каждой точке» или «динамического хаоса». На сегодняшний день расчётное значение постоянной Фейгенбаума (в пределах точности, требуемой для расчёта ПТС) составляет .

Величина ПТС весьма точно вычисляется как корень простого уравнения

и составляет что аппроксимирует экспериментальное значение до десятого десятичного знака. Точность совпадения составляет ~1,3 стандартных интервала сегодняшней экспериментальной погрешности.

Следует также заметить, что с точки зрения современной квантовой электродинамики постоянная тонкой структуры является бегущей константой связи , то есть зависит от энергетического масштаба взаимодействия. Этот факт лишает большей части физического смысла попытки сконструировать нумерологическую формулу для какого-то конкретного (в частности - нулевого, если речь идёт о значении ) передаваемого импульса.

См. также

Примечания

  1. Рекомендованное CODATA значение постоянной тонкой структуры .
  2. A. Sommerfeld. Die Feinstruktur der Wasserstoff- und der Wasserstoff-ähnlichen Linien // Sitzungsberichte der Königl. Bayerischen Akademie der Wissenschaften zu München . - 1915. - P. 459-500.
  3. A. Sommerfeld. Zur Quantentheorie der Spektrallinien // Annalen der Physik . - 1916. - Vol. 356 (51). - P. 1-94.
  4. A. Зоммерфельд. Строение атома и спектры. - М .: Гостехиздат, 1956. - Т. 1. - С. 81.
  5. , pp. 403–404
  6. , pp. 427–430
  7. J. A. Chalmers, B. Chalmers. The expanding universe-an alternative view // Philosophical Magazine Series 7 . - 1935. - Vol. 19. - P. 436-446.
  8. S. Sambursky. Static Universe and Nebular Red Shift // Physical Review . - 1937. - Vol. 52. - P. 335-338.
  9. K. P. Stanyukovich . Possible changes in the gravitational constant // Soviet Physics - Doklady . - 1963. - Vol. 7. - P. 1150-1152.
  10. J. O"Hanlon, K.-K. Tam. Time Variation of the Fundamental Constants of Physics // Progress of Theoretical Physics . - 1969. - Vol. 41. - P. 1596-1598.
  11. P. A. M. Dirac. A New Basis for Cosmology // Proc. R. Soc. Lond. A . - 1938. - Vol. 165. - P. 199-208.
  12. P. Jordan. Über die kosmologische Konstanz der Feinstrukturkonstanten // Zeitschrift für Physik . - 1939. - Vol. 113. - P. 660-662.
  13. E. Teller. On the Change of Physical Constants // Physical Review . - 1948. - Vol. 73. - P. 801-802.
  14. J. Brandmüller, E. Rüchardt. Die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante und das Problem der spektroskopischen Einheiten // Die Naturwissenschaften . - 1950. - Vol. 37. - P. 337-343.
  15. R. Baggiolini. On a Remarkable Relation between Atomic and Universal Constants // American Journal of Physics . - 1957. - Vol. 25. - P. 324-325.
  16. G. Gamow. Electricity, Gravity, and Cosmology // Physical Review Letters . - 1967. - Vol. 19. - P. 759-761.
  17. F. J. Dyson. Time Variation of the Charge of the Proton // Physical Review Letters . - 1967. - Vol. 19. - P. 1291-1293.
  18. A. Peres. Constancy of the Fundamental Electric Charge // Physical Review Letters . - 1967. - Vol. 19. - P. 1293-1294.
  19. J. N. Bahcall, M. Schmidt. Does the Fine-Structure Constant Vary with Cosmic Time? // Physical Review Letters . - 1967. - Vol. 19. - P. 1294-1295.
  20. Я. М. Крамаровский, В. П. Чечев. Изменяется ли заряд электрона с возрастом Вселенной? // УФН . - 1970. - Т. 102. - С. 141-148.
  21. G. Gamow. Numerology of the Constants of Nature // PNAS . - 1968. - Vol. 59. - P. 313-318.
  22. Ю. В. Петров. Естественный ядерный реактор Окло // УФН . - 1977. - Т. 123. - С. 473-486.
  23. M. T. Murphy, J. K. Webb, V. V. Flambaum, V. A. Dzuba, C. W. Churchill, J. X. Prochaska, J. D. Barrow, A. M. Wolfe. Possible evidence for a variable fine-structure constant from QSO absorption lines: motivations, analysis and results // . - 2001. - Vol. 327. - P. 1208-1222.
  24. J. D. Barrow, H. B. Sandvik, J. Magueijo. Behavior of varying-alpha cosmologies // Physical Review D . - 2002. - Vol. 65. - P. 063504.
  25. R. Srianand, H. Chand, P. Petitjean, B. Aracil. Limits on the Time Variation of the Electromagnetic Fine-Structure Constant in the Low Energy Limit from Absorption Lines in the Spectra of Distant Quasars // Physical Review Letters . - 2004. - Vol. 92. - P. 121302.
  26. H. Chand, R. Srianand, P. Petitjean, B. Aracil. Probing the cosmological variation of the fine-structure constant: Results based on VLT-UVES sample // Astronomy & Astrophysics . - 2004. - Vol. 417. - P. 853-871.
  27. New Quasar Studies Keep Fundamental Physical Constant Constant // ESO Press Release, 31 March 2004
  28. J. K. Webb, J. A. King, M. T. Murphy, V. V. Flambaum, R. F. Carswell, M. B. Bainbridge. Indications of a Spatial Variation of the Fine Structure Constant // Physical Review Letters . - 2011. - Vol. 107. - P. 191101. См. также .
  29. J. C. Berengut, V. V. Flambaum, J. A. King, S. J. Curran, J. K. Webb. // Physical Review D . - 2011. - Vol. 83. - P. 123506. См. также .
  30. J. A. King, M. T. Murphy, W. Ubachs, J. K. Webb. New constraint on cosmological variation of the proton-to-electron mass ratio from Q0528-250 // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . - 2011.
  31. S. J. Curran, A. Tanna, F. E. Koch, J. C. Berengut, J. K. Webb, A. A. Stark, V. V. Flambaum. Measuring space-time variation of the fundamental constants with redshifted submillimetre transitions of neutral carbon // Astronomy & Astrophysics . - 2011.
  32. J. C. Berengut, V. V. Flambaum. Manifestations of a spatial variation of fundamental constants in atomic and nuclear clocks, Oklo, meteorites, and cosmological phenomena // Europhysics Letters . - 2012. - Vol. 97. - P. 20006.
  33. J. D. Barrow. Cosmology, Life, and the Anthropic Principle // Annals of the New York Academy of Sciences . - 2001. - Vol. 950. - P. 139-153.
  34. G. N. Lewis and E. Q. Adams. A Theory of Ultimate Rational Units; Numerical Relations between Elementary Charge, Wirkungsquantum, Constant of Stefan"s Law // Physical Review . - 1914. - Vol. 3. - P. 92-102.
  35. , pp. 400–401
  36. , pp. 401–402
  37. H. Stanley Allen. Numerical Relationships between Electronic and Atomic Constants // Proceedings of the Physical Society of London . - 1914. - Vol. 27. - P. 425-431.
  38. A. C. Lunn. Atomic Constants and Dimensional Invariants // Physical Review . - 1922. - Vol. 20. - P. 1-14.
  39. , p. 406
  40. J. Rice. On Eddington"s natural unit of the field, and possible relations between it and the universal constants of physics // . - 1925. - Vol. 49. - P. 457-463.
  41. J. Rice. On Eddington"s natural unit of the field // Philosophical Magazine Series 6 . - 1925. - Vol. 49. - P. 1056-1057.
  42. A. S. Eddington. The Charge of an Electron // Proc. R. Soc. Lond. A . - 1929. - Vol. 122. - P. 358-369.
  43. A. S. Eddington. The Interaction of Electric Charges // Proc. R. Soc. Lond. A . - 1930. - Vol. 126. - P. 696-728.
  44. A. S. Eddington. On the Value of the Cosmical Constant // Proc. R. Soc. Lond. A . - 1931. - Vol. 133. - P. 605-615.
  45. A. S. Eddington. Theory of Electric Charge // Proc. R. Soc. Lond. A . - 1932. - Vol. 138. - P. 17-41.
  46. R. T. Birge. The general physical constants: As of august 1941 with details on the velocity of light only // Reports on Progress in Physics . - 1941. - Vol. 8. - P. 90-134.
  47. , pp. 411–415
  48. , pp. 416–418
  49. , pp. 419–422
  50. V. Rojansky. The Ratio of the Mass of the Proton to that of the Electron // Nature . - 1929. - Vol. 123. - P. 911-912.
  51. E. E. Witmer. The Relative Masses of the Proton, Electron, and Helium Nucleus // Nature . - 1929. - Vol. 124. - P. 180-181.
  52. W. Anderson. Über die Struktur der Lichtquanten // Zeitschrift für Physik . - 1929. - Vol. 58. - P. 841-857.
  53. R. Fürth. Über einen Zusammenhang zwischen quantenmechanischer Unschärfe und Struktur der Elementarteilchen und eine hierauf begründete Berechnung der Massen von Proton und Elektron // Zeitschrift für Physik . - 1929. - Vol. 57. - P. 429-446.

Физики из Гарвардского университета под руководством профессора Джеральда Габриэльса (Gerald Gabrielse) осуществили чрезвычайно прецизионный эксперимент, который позволил значительно уточнить численное значение постоянной тонкой структуры . Свои результаты они опубликовала в двух статьях, одновременно появившихся в журнале Physical Review Letters (97, 030801 и 97, 030802). В первой из них представлены данные измерений, во второй - итоговые вычисления.

Постоянная тонкой структуры - ее обозначают греческой буквой «альфа» (α) - была введена немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом в 1916 году, еще до создания квантовой механики. У Зоммерфельда она появилась в расчетах, описывающих дуплетное расщепление энергетических уровней (и, соответственно, спектральных линий) водородоподобного атома модели Бора, обусловленное релятивистскими эффектами. Такое расщепление называется тонкой структурой спектра, отсюда и название константы. Позднее выяснилось, что оно вызвано взаимодействием между орбитальным и спиновым моментами электрона, которое само по себе есть релятивистский эффект.

В 1916 году понятия спина еще не существовало, и Зоммерфельд получил свои результаты, вычисляя энергию электрона с точностью до квадрата отношения его линейной скорости v (которая тогда еще определялась чисто классически) к скорости света c , (v /c ) 2 . В эти расчеты постоянная тонкой структуры вошла как отношение скорости электрона на нижней круговой орбите к скорости света. В системе единиц CGSE она записывается с помощью простой формулы:

Здесь e - заряд электрона, c - скорость света, - редуцированная постоянная Планка, или постоянная Дирака ( = h /2π , где h - постоянная Планка , связывающая величину энергии электромагнитного излучения с его частотой). α - это безразмерная величина, ее численное значение очень близко к 1/137.

Физический смысл постоянной тонкой структуры радикально изменился после создания квантовой электродинамики. В этой теории электрически заряженные частицы взаимодействуют благодаря обмену виртуальными фотонами. Постоянная тонкой структуры там возникает как безразмерный параметр, характеризующий интенсивность этого взаимодействия.

Нагляднее всего роль «альфы» проявляется при расчете различных эффектов с помощью диаграмм Фейнмана , которые служат основным методом приближенных вычислений в квантовой электродинамике. Каждая вершина фейнмановской диаграммы привносит в численное значение амплитуды вычисляемого процесса множитель, равный квадратному корню из альфы. Поскольку возникающие в расчетах внутренние линии имеют по два конца, добавление каждой такой линии дает множитель, пропорциональный альфа. Именно благодаря малости постоянной тонкой структуры в квантовой электродинамике можно производить приближенные расчеты, разлагая вычисляемые величины в ряды по ее степеням. Правда, подсчет некоторых диаграмм дает бесконечности, но в квантовой электродинамике от них можно избавляться в помощью так называемой перенормировки (впрочем, это уже детали).

В конце 60-х годов квантовая электродинамика получила обобщение в виде единой теории электрослабых взаимодействий. В этой теории «альфа» растет пропорционально логарифму характерной энергии физического процесса и потому уже не является константой. Формуле Зоммерфельда соответствует предельное значение «альфы» при минимально возможных энергиях электромагнитного взаимодействия. Поскольку самыми легкими частицами с электрическим зарядом являются электроны и позитроны, этот минимум достигается при энергии, равной массе электрона, умноженной на квадрат скорости света. Согласно некоторым гипотезам, альфа может также зависеть и от времени, однако это пока не доказано.

Квантовая электродинамика не позволяет чисто теоретически найти конкретное значение «силы» электромагнитного взаимодействия. Однако его можно установить, вычислив какую-либо физически наблюдаемую величину, зависящую от α, и затем сравнив этот результат с экспериментом. Именно это и сделали Габриэльс с соавторами. Они воспользовались расчетами внутреннего (спинового) магнитного момента электрона в четвертом порядке теории возмущений, которые в этом году опубликовали профессор Корнелловского университета Тоичиро Киношита и его коллега из Японии Макико Нио (Physical Review D , 73 , 013003, 2006). Для подсчета поправок к опубликованному в 1996 году значению магнитного момента в третьем порядке теории возмущений Киношите и Нио пришлось учесть вклады от 891 фейнмановской диаграммы, что потребовало многолетних аналитических расчетов и вычислений на суперкомпьютере.

Как известно, магнитный момент электрона пропорционален произведению его спина на магнетон Бора . Коэфициент пропорциональности принято обозначать латинской буквой g . Согласно релятивистской теории электрона, сформулированной в 1928 году Полем Дираком, g = 2. Это значение два десятилетия принимали на веру, однако в 1948 году Поликарп Куш и Генри Фоли экспериментально доказали, что g приблизительно равно 2,002. Одновременно один из творцов квантовой электродинамики Юлиус Швингер получил ту же величину теоретически. Квантовая электродинамика объясняет превышение g -фактора над дираковским значением тем, что магнитный момент увеличивается благодаря рождению виртуальных частиц и поляризации вакуума. С тех пор g -фактор не раз измерялся на опыте и подсчитывался на основе уравнений квантовой электродинамики, причем каждый раз результаты совпадали со всё более высокой точностью. В 1987 году Ганс Демелт и его коллеги измерили g -фактор с точностью до четырех триллионных, за что двумя годами позже Ганс Демелт был удостоен Нобелевской премии.

Расчеты Киношиты и Нио позволили представить g -фактор в виде конечного ряда Тейлора, обрывающегося на члене, пропорциональном четвертой степени постоянной тонкой структуры α. Для экспериментальной проверки этого значения точность результатов группы Демелта была недостаточной. Габриэльс и члены его группы заново измерили g -фактор с помощью прибора, который они назвали одноэлектронным циклотроном.

Это устройство было создано Габриэльсом и Стивеном Пейлом еще в конце прошлого десятилетия и с тех пор непрерывно совершенствовалось. Оно представляет из себя небольшую проводящую полость, в которой с помощью переменных электромагнитных полей заперт один-единственный электрон (фактически, это модификация давно известного устройства, называемого ловушкой Пеннинга). При проведении измерений включается магнитное поле, направленное вдоль оси прибора. Присутствие этого поля заставляет электрон двигаться по спирали с циклотронной частотой f c и одновременно прецессировать вокруг вектора поля с частотой f s .

Согласно теории, g -фактор превышает двойку на величину, равную (f s – f c)/f c . Числитель и знаменатель этой дроби и были определены экспериментально. Эти измерения потребовали чрезвычайно точного расчета геометрии внутренней полости ловушки и ее охлаждения до 0,1 К - всё это было необходимо, чтобы обеспечить стабильность электронных орбит, поскольку измерения проводились на протяжении многих часов. Экспериментаторам пришлось даже принять в расчет релятивистские поправки, хотя они были крайне малы из-за очень низкой энергии электрона.

В конечном счете, эксперимент дал значение g /2 = 1,00115965218085, причем возможная ошибка не превышает 0,76 триллионных (то есть точность группы Демелта улучшена шестикратно). Это значение g -фактора позволило вычислить и величину альфа, которая оказалось равной 1/137,035999710 с погрешностью порядка 0,7 миллиардных (десятикратное улучшение по сравнению с предшествующими результатами).

Столь заметное уточнение расчетной величины постоянной тонкой структуры создает возможность для выявления границ квантовой электродинамики. В ее основе лежит предположение, что электрон и позитрон представляют собой точечные частицы. Если, как утверждают некоторые гипотезы, электрон и позитрон обладают внутренней структурой, она должна повлиять на значение альфы. (Правда, постоянная тонкой структуры также включает очень небольшие добавки, обусловленные сильным и слабым взаимодействием, однако физики из группы Габриэльса полагают, что их удастся принять в расчет).

Теперь физикам предстоит вновь как можно точнее измерить постоянную тонкой структуры другими способами (это делается, например, с помощью таких твердотельных феноменов, как эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла, а также посредством рассеивания фотонов на атомах рубидия) и сопоставить полученные результаты с оценкой группы Габриэльса. Кто знает, что из этого выйдет?

Источники:
1) B. Odom, D. Hanneke, B. D"Urso, G. Gabrielse. New Measurement of the Electron Magnetic Moment Using a One-Electron Quantum Cyclotron (полный текст PDF, 256 Kb) // Physical Review Letters , 97, 030801 (2006).
2) G. Gabrielse, D. Hanneke, T. Kinoshita, M. Nio, B. Odom. New Determination of the Fine Structure Constant from the Electron g Value and QED (полный текст PDF, 200 Kb) // Physical Review Letters , 97, 030802 (2006).
3) Toichiro Kinoshita, Makiko Nio. Improved alpha 4 term of the electron anomalous magnetic moment // Phys. Rev. D 73, 013003 (2006).

Алексей Левин
Похожие публикации