Constanta structurii fine

Constanta structurii fine sau constanta Sommerfeld , indicată de litera greacă α _e , este constanta de cuplare a interacțiunii electromagnetice , a cărei exprimă intensitatea relativă la sarcina elementară .

A fost introdus de Arnold Sommerfeld în 1916 ca măsură a deviației relativiste a liniilor spectrale ale modelului atomic al lui Bohr și este exprimat printr-o relație între constantele fizice elaborate în câmpul electromagnetismului . Ca toate constantele de cuplare, este ocantitate adimensională independentă de sistemul de unitate utilizat.

Formule

În sistemul internațional de unități (SI), constanta structurii fine este definită ca:

\alpha ={\frac {e^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}\hbar c}}={\frac {e^{2}}{2\varepsilon _{0}hc}}={\frac {ke^{2}}{\hbar c}}

{\ displaystyle \ alpha = {\ frac {e ^ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} \ hbar c}} = {\ frac {e ^ {2}} {2 \ varepsilon _ {0} hc}} = {\ frac {ke ^ {2}} {\ hbar c}}}

{\ displaystyle \ alpha = {\ frac {e ^ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} \ hbar c}} = {\ frac {e ^ {2}} {2 \ varepsilon _ {0} hc}} = {\ frac {ke ^ {2}} {\ hbar c}}}

unde este:

$e=1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}\ \mathrm {C}$ ${\ displaystyle e = 1 {,} 602 \, 176 \, 634 \ cdot 10 ^ {- 19} \ \ mathrm {C}}$ ${\ displaystyle e = 1 {,} 602 \, 176 \, 634 \ cdot 10 ^ {- 19} \ \ mathrm {C}}$ este sarcina elementară ;
$\varepsilon _{0}=8{,}854\,187\,8128(13)\cdot 10^{-12}\ {\frac {\mathrm {C^{2}} }{\mathrm {N\ m^{2}} }}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {0} = 8 {,} 854 \, 187 \, 8128 (13) \ cdot 10 ^ {- 12} \ {\ frac {\ mathrm {C ^ {2}}} {\ mathrm {N \ m ^ {2}}}}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {0} = 8 {,} 854 \, 187 \, 8128 (13) \ cdot 10 ^ {- 12} \ {\ frac {\ mathrm {C ^ {2}}} {\ mathrm {N \ m ^ {2}}}}}$ este permitivitatea electrică a vidului ;
$h=6{,}626\,070\,15\cdot 10^{-34}\ \mathrm {J\cdot s}$ ${\ displaystyle h = 6 {,} 626 \, 070 \, 15 \ cdot 10 ^ {- 34} \ \ mathrm {J \ cdot s}}$ ${\ displaystyle h = 6 {,} 626 \, 070 \, 15 \ cdot 10 ^ {- 34} \ \ mathrm {J \ cdot s}}$ este constanta lui Planck ;
$\hbar ={\frac {h}{2\pi }}=1{,}054\,571\,817\ldots \cdot 10^{-34}\ \mathrm {J\cdot s}$ ${\ displaystyle \ hbar = {\ frac {h} {2 \ pi}} = 1 {,} 054 \, 571 \, 817 \ ldots \ cdot 10 ^ {- 34} \ \ mathrm {J \ cdot s}}$ ${\ displaystyle \ hbar = {\ frac {h} {2 \ pi}} = 1 {,} 054 \, 571 \, 817 \ ldots \ cdot 10 ^ {- 34} \ \ mathrm {J \ cdot s}}$ este constanta Planck redusă;
$c=299\,792\,458\ \mathrm {m/s}$ ${\ displaystyle c = 299 \, 792 \, 458 \ \ mathrm {m / s}}$ ${\ displaystyle c = 299 \, 792 \, 458 \ \ mathrm {m / s}}$ este viteza luminii în vid;
$k={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}=8,987\,551\,7923(13)\cdot 10^{9}\ {\frac {\mathrm {N\ m^{2}} }{\mathrm {C^{2}} }}$ ${\ displaystyle k = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} = 8.987 \, 551 \, 7923 (13) \ cdot 10 ^ {9} \ {\ frac {\ mathrm {N \ m ^ {2}}} {\ mathrm {C ^ {2}}}}}$ ${\ displaystyle k = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} = 8.987 \, 551 \, 7923 (13) \ cdot 10 ^ {9} \ {\ frac {\ mathrm {N \ m ^ {2}}} {\ mathrm {C ^ {2}}}}}$ este constanta Coulomb .

În sistemul electrostatic de unități CGS , având în vedere definiția diferită a constantelor fizice pentru care k este 1, ia forma:

\alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c}}

{\ displaystyle \ alpha = {\ frac {e ^ {2}} {\ hbar c}}}

\ alpha = {\ frac {e ^ {2}} {\ hbar c}}

.

Constanta structurii fine poate fi văzută și ca pătratul raportului dintre sarcina elementară și sarcina Planck .

\alpha =\left({\frac {e}{q_{P}}}\right)^{2}

{\ displaystyle \ alpha = \ left ({\ frac {e} {q_ {P}}} \ right) ^ {2}}

{\ displaystyle \ alpha = \ left ({\ frac {e} {q_ {P}}} \ right) ^ {2}}

.

Valoare

Formularea și valoarea recomandate pentru α _și din CODATA 2018 sunt: ^[1] ^[2]

\alpha _{e}={\frac {e^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}\hbar c}}={\frac {1}{137{,}035\,999\,084(21)}}

{\ displaystyle \ alpha _ {e} = {\ frac {e ^ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} \ hbar c}} = {\ frac {1} {137 {,} 035 \, 999 \, 084 (21)}}}

{\ displaystyle \ alpha _ {e} = {\ frac {e ^ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} \ hbar c}} = {\ frac {1} {137 {,} 035 \, 999 \, 084 (21)}}}

cu o abatere standard relativă de 0,15 ppb .

Deși valoarea lui α poate fi dedusă din valoarea constantelor care apar în formularea sa matematică, electrodinamica cuantică (QED) permite măsurarea directă a valorii sale prin efectul cuantic Hall sau momentul magnetic al electronului. QED prezice o relație între raportul giromagnetic al electronului sau factorul Landé g ( g ) și constanta de structură fină α .
Cea mai exactă valoare a lui α obținută până acum experimental se bazează pe o nouă măsură a momentului magnetic al electronului. ^[3] Rezultatul obținut pentru reciprocitatea lui α este:

\alpha ^{-1}=137,035\,999\,174(35).

{\ displaystyle \ alpha ^ {- 1} = 137.035 \, 999 \, 174 (35).}

{\ displaystyle \ alpha ^ {- 1} = 137.035 \, 999 \, 174 (35).}

cu o incertitudine de 0,25 părți pe miliard.

Rădăcină

O valoare mai simplă a constantei structurii fine este rădăcina sa, care corespunde raportului dintre sarcina elementară și sarcina Planck și este egală cu aproximativ 11,70 .

Importanţă

Constanta structurii fine este o constantă adimensională care are o importanță fundamentală în fizica teoretică. Existența sa este interpretată de unii oameni de știință ca o indicație a incompletitudinii modului nostru actual de a interpreta legile naturii. De fapt, o constantă adimensională, tocmai pentru că este independentă de o unitate de măsură, apare într-o teorie ca un factor arbitrar.

În istoria științei, aproape toate constantele adimensionale au fost la un moment dat eliminate datorită unei extinderi a teoriilor conexe. De exemplu, permitivitățile electrice relative ale materialelor pot fi calculate din primele principii cu modele moderne ale structurii materiei. Cu toate acestea, există, în acest moment ( 2006 ), o astfel de explicație, care este coerentă și verificabilă, pentru $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ .

( EN ) „A fost un mister de când a fost descoperit acum mai bine de cincizeci de ani și toți buni fizicieni teoretici pun acest număr pe peretele lor și se îngrijorează în legătură cu acesta”.	( IT ) „A fost un mister de la descoperirea sa cu mai bine de cincizeci de ani în urmă și toți cei mai buni fizicieni teoretici îl atârnă pe perete și rămân neliniștiți”.
( Richard Feynman , QED: Teoria ciudată a luminii și materiei , Princeton University Press, 1985, p. 129. )

Constanta structurii fine are o mare importanță în teoria filosofico-științifică a principiului antropic ; de fapt acest parametru adimensional are o influență fundamentală asupra universului. Dacă valoarea sa ar fi chiar ușor (aproximativ 10-20%) diferită de valoarea cunoscută, universul ar fi diferit de modul în care îl vedem, iar legile fizice nu ar fi așa cum le cunoaștem. De exemplu, relațiile dintre forțele atractive și respingătoare dintre particulele elementare ar fi diferite, cu consecințe asupra constituirii materiei și asupra activității stelelor. Într-un univers cu $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ diferiți, noi înșine s-ar putea să nu existe ^[4] .

Constanta structurii fine câștigă din ce în ce mai mult vizibilitate în cosmologie , deoarece joacă un rol important în teoria corzilor și în multivers .

Constanța valorii în timp

S-a susținut mult timp că valoarea constantei structurii fine a rămas întotdeauna constantă de-a lungul istoriei universului . O variantă de $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ a fost propus pentru a explica unele probleme în cosmologie și astrofizică , ^[5] ^[6] ^[7] ^[8], dar mai general există un interes în posibila variație a valorii constantelor în timp (nu numai a $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ ) derivând din teoria șirurilor și din alte propuneri care intenționează să depășească Modelul standard de fizică a particulelor.
Primele teste au examinat liniile spectrale ale obiectelor astronomice îndepărtate și procesul de dezintegrare radioactivă din reactorul de fisiune nucleară natural din Oklo, Gabon , dar nu au găsit dovezi ale variației. ^[9] ^[10] ^[11] ^[12] ^[13] ^[14]

Măsurătorile privind valoarea α la distanțe mai mari au determinat grupul condus de JK Webb, de la Universitatea din New South Wales , să indice o detectare a variației valorii $\alpha .$ ${\ displaystyle \ alpha.}$ ${\ displaystyle \ alpha.}$ ^[15] ^[16] ^[17] ^[18]

Folosind observațiile făcute cu telescoapele Keck pe 128 de quasare la redshift de $0,5<z<3$ ${\ displaystyle 0,5 <z <3}$ ${\ displaystyle 0,5 <z <3}$ , Webb și grupul său au constatat că spectrele erau de acord cu o ușoară creștere a constantei în ultimii 10-12 miliarde de ani, care poate fi exprimată prin:

{\frac {\Delta \alpha }{\alpha }}\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {\alpha _{\mathrm {prev} }-\alpha _{\mathrm {now} }}{\alpha _{\mathrm {now} }}}=\left(-0,57\pm 0,10\right)\times 10^{-5}.

{\ displaystyle {\ frac {\ Delta \ alpha} {\ alpha}} \ {\ stackrel {\ mathrm {def}} {=}} \ {\ frac {\ alpha _ {\ mathrm {prev}} - \ alpha _ {\ mathrm {now}}} {\ alpha _ {\ mathrm {now}}}} = \ left (-0.57 \ pm 0.10 \ right) \ times 10 ^ {- 5}.}

{\ frac {\ Delta \ alpha} {\ alpha}} \ {\ stackrel {{\ mathrm {def}}} {=}} \ {\ frac {\ alpha _ {{\ mathrm {prev}}} - \ alpha _ {{\ mathrm {now}}}} {\ alpha _ {{\ mathrm {now}}}}} = \ left (-0.57 \ pm 0.10 \ right) \ times 10 ^ {{- 5}}

În 2004 au fost propuse diferite metode pentru a măsura dacă, în trecutul istoriei cosmice, α și-a asumat valori diferite: având în vedere dependența acestei valori de principalele constante fizice, ar fi un indiciu că legile fizice variază în timp. Până în 2005 , nu s-au găsit schimbări semnificative care să nu fie atribuite erorilor de măsurare.

În 2010 , dintr-un studiu de 153 de măsurători efectuate la proiectul telescopului foarte mare al ESO, constanta pare să arate o valoare diferită decât în trecut, deschizând astfel ipoteze cu privire la invaliditatea universală a legilor fizicii. ^[19]

În 2020 , un studiu al luminii emise de quasarul J1120 + 0641 publicat în Science Advances presupune că constanta structurii fine depinde nu numai de timp, ci și de direcția în care este observată. Dacă ar fi confirmată, proprietatea izotropă a Universului, care este una dintre bazele principiului cosmologic, s-ar pierde, iar modelul standard în sine ar trebui modificat profund. ^[20]

Notă

^ Constante fizice fundamentale - Constanta de structură fină , pe Referința NIST privind constantele, unitățile și incertitudinea , NIST , 2014.
^ Constante fizice fundamentale - Constanta de structură fină inversă , su Referința NIST privind constantele, unitățile și incertitudinea , NIST , 2014.
^ T. Aoyama, M. Hayakawa, T. Kinoshita, M. Nio, contribuția QED de ordinul zecelea la electronul g - 2 și o valoare îmbunătățită a constantei structurii fine , în Physical Review Letters , vol. 109, nr. 11, 2012, p. 111807, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.109.111807 , PMID 23005618 , arΧiv : hep-ph / 1205.5368 .
^ (EN) Natalie Wolchover, Fizicienii cuie „Numărul magic” care modelează Universul , al revistei Quanta. Adus la 8 decembrie 2020 .
^ EA Milne, Relativity, Gravitation and World Structure , Clarendon Press , 1935.
^ PAM Dirac, Constantele cosmologice , în natură , vol. 139, 1937, p. 323, DOI : 10.1038 / 139323a0 .
^ G. Gamow, Electricity, Gravity, and Cosmology , în Physical Review Letters , vol. 19, 1967, p. 759, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.19.759 .
^ G. Gamow, Variabilitatea sarcinii elementare și a obiectelor cuasistelare , în Physical Review Letters , vol. 19, 1967, p. 913, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.19.913 .
^ J.-P. Uzan, Constantele fundamentale și variația lor: statutul observațional și motivațiile teoretice , în Review of Modern Physics , vol. 75, 2003, pp. 403–455, DOI : 10.1103 / RevModPhys.75.403 , arΧiv : hep-ph / 0205340 .
^ J.-P. Uzan, Variația constantelor în Universul târziu și timpuriu , arXiv, astro-ph, 2004, arΧiv : hep-ph / 0409424 .
^ K. Olive, Y.-Z. Qian, au fost diferite constanțele fundamentale în trecut? , în Physics Today , vol. 57, nr. 10, 2003, pp. 40–45, DOI : 10.1063 / 1.1825267 .
^ JD Barrow, Constantele naturii: de la alfa la omega - numerele care codifică cele mai profunde secrete ale universului , Vintage , 2002, ISBN 0-09-928647-5 .
^ J.-P.Uzan, B. Leclercq, The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants , Springer Praxis , 2008, ISBN 978-0-387-73454-5 .
^ F. Yasunori, Oklo Constraint on the Time-Variability of the Fine-Structure Constant , in Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants , Lecture Notes in Physics, Springer Berlin , 2004, pp. 167–185, ISBN 978-3-540-21967-5 . Adus la 4 decembrie 2010 (arhivat din original la 4 ianuarie 2013) .
^ JK Webb și colab ., Căutarea variației în timp a constantei structurii fine , în Physical Review Letters , vol. 82, nr. 5, 1999, pp. 884–887, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.82.884 , arΧiv : astro-ph / 9803165 .
^ MT Murphy și colab ., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , vol. 327, 2001, p. 1208.
^ JK Webb și colab ., Alte dovezi pentru evoluția cosmologică a constantei structurii fine , în Physical Review Letters , vol. 87, nr. 9, 2001, p. 091301, DOI : 10.1103 / PhysRevLett . 87.091301 , PMID 11531558 .
^ MT Murphy, JK Webb, VV Flambaum, Dovezi suplimentare pentru o constantă de structură fină variabilă din spectrele de absorbție Keck / HIRES QSO , în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , vol. 345, 2003, p. 609, DOI : 10.1046 / j.1365-8711.2003.06970.x .
^ Webb și colab. Dovezi pentru variația spațială a constantei structurii fine ( PDF ), pe arxiv.org .
^ (EN) Michael R. Wilczynska, John K. Webb și Matthew Bainbridge, Patru măsurători directe ale constantei structurii fine în urmă cu 13 miliarde de ani , Advances in Science, vol. 6, nr. 17, 1 aprilie 2020, pp. eaay9672, DOI : 10.1126 / sciadv.aay9672 . Adus la 1 mai 2020 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere cu o structură fină constantă

linkuri externe

JK Webb, JA King, MT Murphy, VV Flambaum, RF Carswell, MB Bainbridge. Dovezi pentru variația spațială a constantei structurii fine . Physical Review Letters, 2010. Dovezi pentru variația spațială a constantei structurii fine,
CODATA a recomandat valoarea α , începând cu 2006.
„ Constanta structurii fine ” , site-ul web al lumii fizicii a lui Eric Weisstein.
John D. Barrow și Webb, John K., „ Constante constante ” , Scientific American , iunie 2005.

Portal cuantic : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă de cuantică

[1] Constante fizice fundamentale - Constanta de structură fină , pe Referința NIST privind constantele, unitățile și incertitudinea , NIST , 2014.

[2] Constante fizice fundamentale - Constanta de structură fină inversă , su Referința NIST privind constantele, unitățile și incertitudinea , NIST , 2014.

[3] T. Aoyama, M. Hayakawa, T. Kinoshita, M. Nio, contribuția QED de ordinul zecelea la electronul g - 2 și o valoare îmbunătățită a constantei structurii fine , în Physical Review Letters , vol. 109, nr. 11, 2012, p. 111807, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.109.111807 , PMID 23005618 , arΧiv : hep-ph / 1205.5368 .

[4] (EN) Natalie Wolchover, Fizicienii cuie „Numărul magic” care modelează Universul , al revistei Quanta. Adus la 8 decembrie 2020 .

[5] EA Milne, Relativity, Gravitation and World Structure , Clarendon Press , 1935.

[6] PAM Dirac, Constantele cosmologice , în natură , vol. 139, 1937, p. 323, DOI : 10.1038 / 139323a0 .

[7] G. Gamow, Electricity, Gravity, and Cosmology , în Physical Review Letters , vol. 19, 1967, p. 759, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.19.759 .

[8] G. Gamow, Variabilitatea sarcinii elementare și a obiectelor cuasistelare , în Physical Review Letters , vol. 19, 1967, p. 913, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.19.913 .

[9] J.-P. Uzan, Constantele fundamentale și variația lor: statutul observațional și motivațiile teoretice , în Review of Modern Physics , vol. 75, 2003, pp. 403–455, DOI : 10.1103 / RevModPhys.75.403 , arΧiv : hep-ph / 0205340 .

[10] J.-P. Uzan, Variația constantelor în Universul târziu și timpuriu , arXiv, astro-ph, 2004, arΧiv : hep-ph / 0409424 .

[11] K. Olive, Y.-Z. Qian, au fost diferite constanțele fundamentale în trecut? , în Physics Today , vol. 57, nr. 10, 2003, pp. 40–45, DOI : 10.1063 / 1.1825267 .

[12] JD Barrow, Constantele naturii: de la alfa la omega - numerele care codifică cele mai profunde secrete ale universului , Vintage , 2002, ISBN 0-09-928647-5 .

[13] J.-P.Uzan, B. Leclercq, The Natural Laws of the Universe: Understanding Fundamental Constants , Springer Praxis , 2008, ISBN 978-0-387-73454-5 .

[14] F. Yasunori, Oklo Constraint on the Time-Variability of the Fine-Structure Constant , in Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants , Lecture Notes in Physics, Springer Berlin , 2004, pp. 167–185, ISBN 978-3-540-21967-5 . Adus la 4 decembrie 2010 (arhivat din original la 4 ianuarie 2013) .

[15] JK Webb și colab ., Căutarea variației în timp a constantei structurii fine , în Physical Review Letters , vol. 82, nr. 5, 1999, pp. 884–887, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.82.884 , arΧiv : astro-ph / 9803165 .

[16] MT Murphy și colab ., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , vol. 327, 2001, p. 1208.

[17] JK Webb și colab ., Alte dovezi pentru evoluția cosmologică a constantei structurii fine , în Physical Review Letters , vol. 87, nr. 9, 2001, p. 091301, DOI : 10.1103 / PhysRevLett . 87.091301 , PMID 11531558 .

[18] MT Murphy, JK Webb, VV Flambaum, Dovezi suplimentare pentru o constantă de structură fină variabilă din spectrele de absorbție Keck / HIRES QSO , în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , vol. 345, 2003, p. 609, DOI : 10.1046 / j.1365-8711.2003.06970.x .

[19] Webb și colab. Dovezi pentru variația spațială a constantei structurii fine ( PDF ), pe arxiv.org .

[20] (EN) Michael R. Wilczynska, John K. Webb și Matthew Bainbridge, Patru măsurători directe ale constantei structurii fine în urmă cu 13 miliarde de ani , Advances in Science, vol. 6, nr. 17, 1 aprilie 2020, pp. eaay9672, DOI : 10.1126 / sciadv.aay9672 . Adus la 1 mai 2020 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8],

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]