ТАИНСТВЕННОЕ ЧИСЛО, сформировавшее нашу Вселенную! Постоянная тонкой структуры

Посетите
, чтобы начать бесплатное обучение STEM, и первые 200 человек получат скидку 20% на годовую премиум-подписку. Ссылки: Глава учебника о тонкой структуре:
Оригинальная статья Зоммерфельда:
Хорошее описание в Wiki:
Главы: 0:00 - Исторический контекст постоянной тонкой структуры 2:54 - Как интерпретируется постоянная тонкой структуры? 4:25 - Чем полезна альфа? 6:44 - Как Арнольд Зоммерфельд её обнаружил 10:04 - Как измеряется альфа? 10:36 - Почему 1/137 имеет значение? 12:40 - Откуда взялась постоянная тонкой структуры? 13:50 - Постоянная тонкой структуры НЕ является константой! Краткое содержание: Эта константа, представленная греческой буквой альфа, — безразмерное число, поэтому вне зависимости от используемых единиц измерения, она всегда будет иметь одно и то же значение, около 1/137. Если бы она отличалась всего на 4%, жизнь могла бы не существовать. Что такое постоянная тонкой структуры? Что она означает? И почему она важна? Когда-то считалось, что она равна ровно 1/137, но сегодня мы измерили её точнее, и это уже не совсем так. Сейчас это одна из самых точно измеряемых констант. Существует несколько способов её интерпретации. Это отношение энергии, необходимой для преодоления электростатического отталкивания двух электронов, к энергии фотона с длиной волны лямбда λ. Проще всего представить её как отношение скорости электрона на классической орбите к скорости света. Другими словами, скорость электрона, вращающегося вокруг атома, составляет примерно 1/137 скорости света. Это число напрямую связано с силой электромагнитного взаимодействия. Чем выше значение, тем больше сила притяжения между электроном и протоном и тем сильнее отталкивание между двумя одинаковыми зарядами. Один из способов представить себе постоянную тонкой структуры подобно постоянной Кулона, выраженной в безразмерных единицах. Эта константа встречается повсюду, поскольку в нашем макромире две фундаментальные силы, с которыми мы непосредственно сталкиваемся чаще всего, — это гравитация и электромагнетизм. Поскольку электромагнетизм определяет химию, альфа критически важна для жизни. В диаграммах Фейнмана альфа связана с вероятностью того, что электрон испустит или поглотит фотон. Немецкий физик-теоретик Арнольд Зоммерфельд ввёл её в 1916 году, когда он расширял модель атома Бора. До его работы модель атома Нильса Борна не могла объяснить наблюдаемое излучение света атомами. Уровни энергии, по-видимому, разделялись на два, в то время как модель Бора предсказывала только один. Эти дополнительные уровни располагались очень близко друг к другу. Однако они указывали на неполноту модели Бора. Зоммерфельду удалось показать, что атом имеет более тонкую структуру, то есть имеет суборбитали. Альфу можно экспериментально измерить на циклотронных ускорителях, разгоняя электрон в магнитном поле и измеряя его магнитный момент. Электрон действует как вращающийся стержневой магнит. Магнитный момент связан с напряжённостью и направлением магнитного поля, создаваемого этим электроном. Из этого измерения можно определить значение альфа. Почему число 1/137 так важно? Во-первых, это небольшое число. Это означает, что электромагнетизм относительно слаб, по крайней мере, по сравнению с сильным ядерным взаимодействием. Следовательно, электроны в среднем вращаются по орбитам на значительном расстоянии от протона, что позволяет электронам обмениваться с другими атомами, что обеспечивает возможность химических реакций. И, следовательно, жизнь возможна. Однако это число не слишком велико, поскольку в противном случае атомы не образовались бы изначально. В 1957 году английский астроном Фред Хойл и другие обнаружили, что обилие углерода во Вселенной можно объяснить только тем, что постоянная тонкой структуры имеет значение, при котором ядра атомов гелия с большей вероятностью будут сливаться с образованием ядер углерода, чем в противном случае. Они подсчитали, что если бы эта константа отличалась на 4%, углерод и кислород могли бы вообще не существовать. Что определяет значение α? Некоторые считают, что оно установилось в момент Большого взрыва из-за начальных условий, обусловленных квантовыми флуктуациями. Другие полагают, что существуют крошечные скрытые измерения, которые фиксируют это значение. Действительно ли альфа — константа? Нет. Согласно КЭД, альфа изменяется как функция энергии. Она очень близка к 1/137 при нуле Кельвина, что примерно соответствует температуре Вселенной, и при комнатной температуре. Но при 10^15 Кельвина вблизи Большого взрыва она была бы около 1/127, а через несколько минут достигла бы 1/137, как сегодня. #константа тонкой структуры Так почему же мы называем это константой, если на самом деле это не так? Ответ таков: для большинства практических целей в нашей нынешней Вселенной это константа.