Една от фундаменталните константи на природата – константата на фината

Една от фундаменталните константи на природата – константата на фината конструкция – дефинира доста неща за нашата Вселена. Ето за какво тя е толкоз значима.

Откакто за първи път сме осъзнали, че Вселената се подчинява на физични закони, си задаваме големия екзистенциален въпрос: за какво нашата Вселена е устроена по този метод, а не по различен, който бихме могли да си представим? Има единствено три неща, които я вършат такава: самите естествени закони, фундаменталните константи, които ръководят действителността, и първичните условия, при които се е родила нашата Вселена.

Всяка s-орбитала (червена), всяка p-орбитала (жълта), d-орбитала (синя) и f-орбитала (зелена) може да съдържа единствено два електрона, един с горен и един с низък спин. Ефектите на спина, придвижването със скорост, близка до тази на светлината, и флуктуиращата природа на квантовите полета, които проникват във Вселената, изясняват фината конструкция, която материята има.

Ако в нашата Вселена действаха други естествени закони, нещата щяха да са различни; космосът щеше да е изцяло друг в съвсем всички вероятни аспекти. Протоните биха могли да се разпаднат, фундаменталните величини като масите на частиците не биха били непрекъснати, а величините на всички фундаментални сили биха могли да се трансформират фрапантно във всеки един миг.

Ако само първичните условия на нашата Вселена бяха разнообразни, галактическата история щеше да се развива по същия общ метод, само че детайлностите щяха да се разминават сред тази хипотетична Вселена и нашата. Що се отнася до фундаменталните константи, някои промени биха били дълбоки, до момента в който други щяха да са незабележими. В нашата Вселена константите имат тъкмо избрани стойности и точно тази композиция дава космоса, в който живеем. Една от тези фундаментални константи е известна като константата на фината конструкция и нейната приблизителна стойност (1/137) се появява в изчисленията, които имат значение за цялостен набор от феномени, както на субатомно, по този начин и на галактическо равнище.

Тази история стартира с простите градивни детайли на материята, които построяват Вселената: фундаменталните частици на Стандартния модел.

Структурата на протона, моделирана дружно със обвързваните с него полета, демонстрира, че въпреки да е формиран от точкови кварки и глюони, той има краен, забележителен размер, който се дължи на взаимоотношението на квантовите сили и полета в него. Самият протон е съставна, а не фундаментална квантова парченце. Смята се обаче, че кварките и глуоните в него, както и електроните, обикалящи към атомното ядро, в действителност са фундаментални и неделими.

Нашата Вселена, разграничена на най-малките си съставни елементи, се състои от частици от Стандартния модел. Кварките и глуоните, два типа от тези частици, се свързват между тях, с цел да образуват обвързани положения като протона и неутрона, които от своя страна се свързват в атомни ядра. Електроните, различен тип фундаментални частици, са най-леките от лептоните със заряд. Когато електроните и атомните ядра се свържат дружно, те образуват атоми – градивните детайли на елементарната материя, от които се състои всичко, което виждаме в всекидневието.

Още преди хората да схванат по какъв начин действат атомите, бяха избрани доста от техните свойства. През XIX век открихме, че електрическият заряд на ядрото дефинира химичните свойства на атома, и установихме, че всеки атом има собствен личен неповторим набор от линии, в границите на които може да излъчва и гълтам. Експерименталните доказателства за съществуването на дискретна квантова галактика бяха известни доста преди теоретиците да сглобят цялата картина.

Спектърът на забележимата светлина на Слънцето, който ни оказва помощ да разберем освен неговите температура и йонизация, само че и изобилието на химичните детайли в него. Дългите дебели линии са на водорода и хелия, а всички останали линии принадлежат на по-тежките детайли. Много от абсорбционните линии, показани на диаграмата, са доста близо една до друга. Това е работа на фината конструкция, която може да раздели две дегенеративни енергийни равнища на близко ситуирани, само че разнообразни равнища

През 1912 година Нилс Бор предлага своя популярен модел на атома, съгласно който електроните се въртят към атомното ядро сходно на метода, по който планетите се въртят към Слънцето. Съществената разлика сред модела на Бор и нашата слънчева система обаче е, че в атома могат да съществуват единствено избрани положения, до момента в който планетите могат да се въртят към Слънцето с всякаква композиция от скорост и радиус, която обезпечава постоянна орбита.

Бор осъзнава, че електронът и ядрото са доста дребни, че имат противоположни заряди и че съвсем цялата маса е в ядрото. Неговият пионерски принос е, че електроните могат да заемат единствено избрани енергийни равнища, които той назовава „ атомни орбитали “. Електронът може да обикаля единствено към ядро с избрани свойства – това дава присъщите за всеки обособен атом линии на усвояване и лъчение.

Когато свободните електрони рекомбинират с ядрата на водорода, те се спускат каскадно надолу по енергийните равнища, като освен това излъчват фотони. За да се образуват постоянни неутрални атоми в ранната Вселена, те е трябвало да доближат главното положение, без да излъчват евентуално йонизиращи ултравиолетови фотони. Моделът на Бор на атома разказва грубата конструкция на енергийните равнища, само че той към момента е непълен, с цел да опише следеното десетилетия по-рано

Този модел, колкото и ослепителен и интелигентен да е бил, не съумява незабавно да репродуцира пробните резултати от XIX век. Още през 1887 година Майкелсън и Морли дефинират свойствата на атомното лъчение и усвояване на водорода и те не съответстват изцяло с прогнозите на Бор за атома.

Същите учени, които откриха, че няма разлика в скоростта на светлината, без значение дали тя се движи към, против или перпендикулярно на придвижването на Земята, мериха с по-голяма акуратност от всички до тогава и спектралните линии на водорода. Въпреки че моделът на Бор е непосредствен, резултатите на Майкелсън и Морли демонстрират дребни измествания и спомагателни енергийни положения, които се разграничават леко, само че доста от прогнозите на Бор. По-конкретно, някои енергийни равнища като че ли се разделят на две, до момента в който моделът на Бор предвижда единствено едно.

В модела на Бор на водородния атом единствено орбиталният ъглов миг на точковия електрон способства за енергийните равнища. Добавянето на релативистични резултати и спинови резултати освен води до изместване на тези енергийни равнища, само че и до делене на дегенеративните равнища на доста положения, разкривайки фината конструкция на материята върху грубата конструкция, предсказана от Бор

Тези спомагателни енергийни равнища, ситуирани доста близо едно до друго и също близки до предвижданията на Бор, са първото доказателство за това, което през днешния ден назоваваме фина конструкция на атомите. Моделът на Бор, който опростено показва електроните като заредени частици без спин, обикалящи към ядрото със скорости, доста по-малки от скоростта на светлината, сполучливо изяснява грубата конструкция на атомите, само че не и тази спомагателна фина конструкция.

Нужен е нов прогрес, който идва през 1916 година, когато физикът Арнолд Зомерфелд ненадейно осъзнава нещо значимо. Ако се моделира водородния атом, както е направил Бор, само че се вземе съотношението на скоростта на електрона в главното положение и се съпостави със скоростта на светлината, се получава доста характерна стойност, която Зомерфелд назовава α: константата на фината конструкция. Тази константа, в случай че бъде вярно заместена в уравненията на Бор, би могла точно да изясни разликата в силата сред прогнозите за грубата и фината конструкция.

Свръхохладеният източник на деутерий, както е показано тук, демонстрира освен дискретни равнища, само че и пулсации, които надграждат общоприетия модел на конструктивна/деструктивна интерференция. Този спомагателен резултат на пулсациите е разследване от фината конструкция на материята

Можем да я изразим посредством другите известни по това време константи: α = e 2/(4πε_0)ħc, където:

e е зарядът на електрона, ε_0 е електромагнитната константа за пропускливостта на свободното пространство, ħ е константата на Планк, c е скоростта на светлината.

За разлика от другите константи, които имат единици за премерване, α е действителна безразмерна константа, т.е. тя е просто число, което няма никакви мерни единици. Докато скоростта на светлината може да бъде друга, в случай че я мерите в метри в секунда, футове в година, благи в час или други единици, α постоянно има една и съща стойност. Поради тази причина тя се смята за една от фундаменталните константи, които разказват нашата Вселена.

Енергийните равнища и вълновите функционалности на електроните, съответстващи на разнообразни положения на водородния атом, макар че тези конфигурации в другите атоми са извънредно сходни между тях. Енергийните равнища са количествено изразени в кратни величини на константата на Планк, само че размерите на орбиталите и атомите се дефинират от силата на главното положение и масата на електрона. Допълнителните резултати могат да бъдат незабележими, само че да изместват енергийните равнища в измерими, подаващи се на количествена оценка способи

Енергийните равнища на атома не могат да бъдат вярно обозначени, без да се регистрират тези резултати на фината конструкция, и този факт изплува десетилетие след Бор, когато на сцената се появи уравнението на Шрьодингер. Точно както моделът на Бор не съумява да възпроизведе вярно енергийните равнища на водородния атом, по този начин и уравнението на Шрьодингер се оказва неефективно. Бързо стана ясно, че аргументите за това са три.

Уравнението на Шрьодингер по своята същина не е релативистично, само че електроните и другите квантови частици могат да се движат със скорост, близка до скоростта на светлината, и този резултат би трябвало да се вземе поради. Електроните освен обикалят по орбитите на атомите, само че имат и личен ъглов миг – спин със стойност ħ/2, който може да бъде или да не бъде подравнен с останалия ъглов миг на атома. Електроните също по този начин демонстрират присъщи квантови флуктуации в придвижването си, известни като zitterbewegung [„ трептящо придвижване “]; това също дава своя принос за фината конструкция на атомите.

Ако се вземат поради всички тези резултати, може сполучливо да се възпроизведе както грубата, по този начин и фината конструкция на материята

При неявяване на магнитно поле енергийните равнища на другите положения в границите на една атомна орбитала са идентични (L). Ако обаче се приложи магнитно поле (R), положенията се разделят в сходство с резултата на Зееман. Тук виждаме Земановото разединение на P-S дублетния преход. Други типове разединение се дължат на спин-орбиталните взаимоотношения, релативистичните резултати и нуклеарните спинови взаимоотношения, които пораждат фината и хиперфината конструкция на материята.

Причината, заради която тези корекции са толкоз дребни, е, че цената на константата на фината конструкция, α, също е доста дребна. Според най-хубавите ни модерни измервания цената на α = 0,007297352569, където единствено последната цифра е несигурна. Тази стойност е доста близка до точната дроб: α = 1/137. Някога се е считало, че тази константа в действителност е равна на точна дроб, само че по-напредналите теоретични и пробни проучвания демонстрират, че тази взаимозависимост е неточна и че α = 1/137,0359991, където още веднъж единствено последната цифра е неопределена.

21-сантиметровата линия на водорода се появява, когато водороден атом, съдържащ композиция от протони и електрони с изравнени спинове (горе), обърне спиновете си (долу), излъчвайки един съответен фотон с доста присъща дължина на вълната. Конфигурацията с противоположни спинове на енергийно равнище n=1 съставлява главното положение на водорода, само че силата на нулевата му точка има последна, ненулева стойност. Този преход е част от хиперфината конструкция на материята, като надвишава даже фината конструкция, която най-често следим.

Въпреки това даже отчитането на всички тези резултати не дава цялостна визия за атомите. Съществува освен груба конструкция (на електроните, обикалящи към ядрото) и фина конструкция (на релативистките резултати, електронния спин и квантовите флуктуации на електрона), само че и хиперфина конструкция: взаимоотношението на електрона с нуклеарния спин. Така да вземем за пример преходът на спин-флипа на водородния атом е най-тясната спектрална линия, позната във физиката, и се дължи на този хиперфин резултат, който надвишава даже фината конструкция.

Светлината на свръхдалечните квазари служи като галактическа лаборатория за премерване освен на газовите облаци, които те срещат по пътя си, само че и на междугалактичната среда, съдържаща топла и гореща плазма оттатък купове, галактики и влакна. Тъй като точните свойства на емисионните и абсорбционните линии зависят от константата на фината конструкция, това е един от най-хубавите способи за проучване на Вселената за времеви или пространствени вариации на константата на фината конструкция.

По-късно е заимствуван различен тип разновидност: α се трансформира според от енергийните условия, при които се организират опитите.

Нека помислим за какво това е по този начин, като си представим различен метод за разглеждане на фината конструкция на Вселената: дано да вземем два електрона и да ги държим на несъмнено разстояние един от различен. Константата на фината конструкция, α, може да се показа като съотношението сред силата, нужна за превъзмогване на електростатичното отбиване, което отдалечава тези електрони, и силата на един фотон, чиято дължина на вълната е 2π пъти по-голяма от дистанцията сред електроните.

В квантовата галактика обаче постоянно има двойки частици-античастици (или квантови флуктуации), които запълват даже изцяло празното пространство. При високи сили това трансформира силата на електростатично отбиване сред двата електрона.

Визуализация на квантовата хромодинамика демонстрира по какъв начин двойките частици/античастици се появяват от квантовия вакуум за доста дребни шпации от време в резултат на неопределеността на Хайзенберг. Квантовият вакуум е забавен, тъй като изисква самото празно пространство да не е толкоз празно, а да е изпълнено с всички частици, античастици и полета в разнообразни положения, които се изискват от квантовата доктрина на полето, описваща нашата Вселена

При (обикновените) ниски сили, които имаме в нашата Вселена през днешния ден, α е към 1/137. Но при електрослабите мащаби, където се намират най-тежките частици като W, Z, Хигс бозонът и топ кваркът, α е малко по-голямо: по-скоро 1/128. От практическа позиция заради тези квантови приноси зарядът на електрона наподобява се усилва.

Когато вършим всичко допустимо, с цел да измерим Вселената – с по-голяма точност, при високи сили, при изключително високи налягания, при ниски температури и така нататък – постоянно откриваме комплицирани, богати и загадъчни елементи. В тези елементи обаче не се крие дяволът, а по-скоро в тях се крият най-дълбоките секрети на действителността.

Частиците в нашата галактика не са просто точки, които се притеглят, отблъскват и свързват посред си; те си взаимодействат по всевъзможни фини способи, които естествените закони единствено позволяват. С постигането на по-голяма точност на измерванията започваме да откриваме тези фини резултати, в това число тънкостите в структурата на материята, които елементарно се пропущат при ниска акуратност. Фината конструкция е жизненоважна част от това, само че научаването на това, къде даже най-хубавите ни прогнози за фината конструкция отхвърлят да работят, може да бъде идната огромна гражданска война във физиката на обикновените частици. Единственият метод да разберем това е да създадем верните опити.