Образование

Постоянная тонкой структуры: определение, значение и физический смысл

В математических выражениях, описывающих основные свойства материи и законы природы, всегда присутствуют некоторые постоянные коэффициенты универсального характера – фундаментальные физические константы. Они выражают предельные значения важнейших величин, определенные эмпирически, и задают естественный масштаб математическому описанию физических процессов. К таким коэффициентам относятся, например, постоянная Планка, элементарный электрический заряд или скорость света.

Существуют также безразмерные постоянные величины. Какую бы систему единиц мы ни выбрали, численное значение их остается неизменным. Одной из таких констант является постоянная тонкой структуры, выражающая меру интенсивности электромагнитного взаимодействия.

Математическое определение

Эта константа, обозначаемая греческой буквой «альфа», в виде соотношения сочетает в себе несколько фундаментальных постоянных. В различных системах единиц она определяется по-разному, но всегда имеет одно и то же численное значение.

Постоянная тонкой структуры: определение, значение и физический смысл - новости образования и науки на News4Smart.ru

В системе СИ формула для постоянной тонкой структуры выглядит следующим образом: α = e2/2ε0hc. Здесь e – элементарное количество электричества (заряд электрона), ε0 – электрическая постоянная, h – постоянная Планка и c – скорость света в вакууме.

В системе СГСЭ ε0 =1, и константа определяется по формуле α = e2/ ħc, где ħ – приведенная постоянная Планка (ħ = h/2π).

Численно постоянная тонкой структуры равна приблизительно 1/137, значение ее постоянно уточняется. В настоящее время оно вычислено с точностью до миллиардной и равно 1/137,035999710.

История введения новой константы

В 1916 году, задолго до оформления теоретических основ квантовой механики, немецкий физик А. Зоммерфельд работал с боровской моделью атома. В рамках этой модели ученый искал объяснение появлению в атомных спектрах так называемой тонкой структуры – расщепления спектральных линий (то есть энергетических уровней электронов).

Постоянная тонкой структуры: определение, значение и физический смысл - новости образования и науки на News4Smart.ru

Зоммерфельд предположил, что тонкая структура возникает как проявление релятивистских эффектов движения электрона. При расчетах он получил безразмерную величину, близкую к 1/137, отражающую отношение скорости электрона, находящегося на самой нижней орбите (модель Бора еще оперировала понятием «орбита» для электронов), к скорости света. Поэтому иногда константу «альфа» называют также постоянной Зоммерфельда, в честь ученого, который ввел ее в физическую науку.

Объяснение тонкой структуры спектра

Развитие представлений о постоянной тонкой структуры связано с дальнейшим прогрессом квантовой физики, в частности с понятием спина – собственного момента импульса частицы. Выяснилось, что тонкое расщепление спектральных линий обусловлено не только релятивистским движением электрона в атоме, но и взаимодействием его спинового момента с орбитальным. В зависимости от ориентации спина оно может описываться как векторной суммой, так и разностью, в результате чего и возникают малые различия в значениях энергии, приводящие к расщеплению линии в спектре.

Что касается константы «альфа», то она (точнее ее квадрат) входит в качестве коэффициента в уравнение спин-орбитального взаимодействия, дающего поправку к энергии атомного электрона. Иными словами, эта постоянная определяет размер тонкого расщепления линий спектра. Однако это мало проясняет ее физическую природу.

Константа связи

Физический смысл постоянной тонкой структуры выявляет квантовая теория поля. Эта величина относится к так называемым константам связи – мерам интенсивности взаимодействия. Иначе говоря, она характеризует вероятность акта взаимодействия, который квантовая электродинамика трактует как испускание (поглощение) заряженной частицей – к примеру, электроном – виртуального кванта электромагнитного поля (фотона). Эти фотоны и формируют электрическое поле частицы, посредством которого она «общается» с другими собратьями, имеющими электрический заряд.

Постоянная тонкой структуры: определение, значение и физический смысл - новости образования и науки на News4Smart.ru

Таким образом, «альфа» управляет силой, с которой заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, например, силой отталкивания электронов или силой их притяжения ядром, что в свою очередь определяет размер атома, скорость электронов в нем и пространственное расположение электронных облаков.

Тем не менее в современную теорию элементарных частиц, не слишком удачно именуемую «Стандартной моделью», постоянная тонкой структуры наряду с рядом других мировых констант включена в качестве внешнего параметра. Теория принимает эту комбинацию эмпирически полученных важнейших величин как данность: их численное значение не из чего не следует, просто оно такое, как есть. Некоторые современные теоретические построения, такие как хаотическая теория инфляции и теория струн, позволяют предположить, что набор фундаментальных постоянных реализовался в нашей Вселенной случайным образом. Они допускают и даже требуют существования огромного множества других вселенных с иными наборами констант.

Вопрос о постоянстве «альфы»

Наша Вселенная прошла в своей эволюции несколько этапов. Согласно ряду физических теорий, смена этих фаз развития должна была сопровождаться изменением значения мировых постоянных, в том числе и константы тонкой структуры. Кроме того, эти значения могут отличаться в удаленных областях Вселенной (которые в ранние эпохи были ближе). Для физиков очень важно знать, эволюционируют ли фундаментальные постоянные, и если да, то как именно.

Постоянная тонкой структуры: определение, значение и физический смысл - новости образования и науки на News4Smart.ru

Получить ответы на данные вопросы возможно с помощью наблюдения сверхдальних объектов космоса, например квазаров. Так, в 2010 году появились сообщения о результатах наблюдений, указывающих на то, что «альфа», возможно, в одних областях возросла, а в других уменьшилась со времен, отстоящих от современности на 10 миллиардов лет. Однако окончательные выводы по этим результатам делать пока рано.

В начале 2018 года были опубликованы данные изучения галактики, которую отделяют от нас 2,94 миллиарда световых лет. Они свидетельствуют, что в течение соответствующего отрезка времени постоянная тонкой структуры не претерпела изменений. Так что, если она наряду с прочими основными параметрами нашего мира и эволюционировала, то происходило это, скорее всего, на самых ранних этапах существования Вселенной. Дальнейшие исследования, без сомнения, прольют свет на этот интереснейший вопрос.

Постоянная тонкой структуры: определение, значение и физический смысл — все интересные факты и достижения науки и образования на News4Smart.ru

Поделитесь ссылкой и ваши друзья узнают, что вы знаете ответы на все вопросы. Спасибо ツ

Related Articles

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Close