İnce yapı sabitini hesaplamak için formül. İnce yapı sabiti gerçekte sabittir

Profesör Gerald Gabrielse liderliğindeki Harvard Üniversitesi'nden fizikçiler, ince yapı sabitinin sayısal değerini önemli ölçüde iyileştirmeyi mümkün kılan son derece hassas bir deney gerçekleştirdi. Sonuçlarını dergide aynı anda çıkan iki makalede yayınladılar. Fiziksel İnceleme Mektupları(97, 030801 ve 97, 030802). Bunlardan ilki ölçüm verilerini, ikincisi ise son hesaplamaları sunar.

İnce yapı sabiti - belirlenmiş Yunan harfi“alfa” (α) - Alman teorik fizikçi Arnold Sommerfeld tarafından 1916'da, yaratılışından önce bile tanıtıldı Kuantum mekaniği. Sommerfeld'de enerji seviyelerinin ikili bölünmesini açıklayan hesaplamalarda ortaya çıktı (ve buna göre, spektral çizgiler) göreli etkiler nedeniyle Bohr modelinin hidrojen benzeri atomu. Bu bölünmeye spektrumun ince yapısı denir, dolayısıyla sabitin adı da budur. Daha sonra bunun, elektronun yörünge ve dönüş momentleri arasındaki etkileşimden kaynaklandığı ortaya çıktı ki bu da başlı başına göreceli bir etkidir.

1916'da spin kavramı henüz mevcut değildi ve Sommerfeld, sonuçlarını bir elektronun enerjisini doğrusal hızının oranının karesi dahilinde hesaplayarak elde etti. v(o zamanlar hala tamamen klasik olarak tanımlanıyordu) ışık hızına C, (v/C) 2. İnce yapı sabiti, elektronun alt dairesel yörüngedeki hızının ışık hızına oranı olarak bu hesaplamalara dahil edildi. CGSE birim sisteminde basit bir formül kullanılarak yazılır:

Burada e- elektron yükü, C- ışık hızı, - azaltılmış Planck sabiti veya Dirac sabiti ( = H/2π , Nerede H- Enerjinin büyüklüğünü ilişkilendiren Planck sabiti Elektromanyetik radyasyon sıklığıyla birlikte). α boyutsuz bir niceliktir, sayısal değeri 1/137'ye çok yakındır.

İnce yapı sabitinin fiziksel anlamı yaratılıştan sonra kökten değişti kuantum elektrodinamiği. Bu teoriye göre, elektrik yüklü parçacıklar sanal foton alışverişi yoluyla etkileşime girer. İnce yapı sabiti burada bu etkileşimin yoğunluğunu karakterize eden boyutsuz bir parametre olarak görünür.

“Alfa”nın rolü en açık şekilde hesaplanırken ortaya çıkar çeşitli efektler Kuantum elektrodinamiğinde yaklaşık hesaplamaların ana yöntemi olarak hizmet eden Feynman diyagramlarını kullanarak. Feynman diyagramının her köşesi, hesaplanan sürecin genliğinin sayısal değerine eşit bir faktör sunar kare kök alfa'dan. Hesaplamalarda ortaya çıkan iç çizgilerin iki ucu olduğundan, bu çizgilerin her birinin eklenmesi alfa ile orantılı bir çarpan verir. Kuantum elektrodinamiğindeki ince yapı sabitinin küçük olmasından dolayı hesaplanan büyüklükleri güçleri açısından serilere genişleterek yaklaşık hesaplamalar yapmak mümkün olmaktadır. Doğru, bazı diyagramları saymak sonsuzluklar verir, ancak kuantum elektrodinamiğinde sözde yeniden normalleştirmeyi kullanarak onlardan kurtulabilirsiniz (ancak bunlar zaten ayrıntılardır).

60'ların sonunda kuantum elektrodinamiği, birleşik bir elektrozayıf etkileşim teorisi biçiminde genelleştirildi. Bu teoriye göre "alfa", fiziksel sürecin karakteristik enerjisinin logaritmasıyla orantılı olarak büyür ve bu nedenle artık sabit değildir. Sommerfeld formülü, mümkün olan minimum elektromanyetik etkileşim enerjisindeki sınırlayıcı "alfa" değerine karşılık gelir. En hafif parçacıklar olduğundan elektrik şarjı Elektronlar ve pozitronlar olduğundan bu minimuma, elektronun kütlesinin ışık hızının karesiyle çarpımına eşit bir enerjiyle ulaşılır. Bazı hipotezlere göre alfa zamana da bağlı olabilir ancak bu henüz kanıtlanamamıştır.

Kuantum elektrodinamiği, elektromanyetik etkileşimin "kuvvetinin" spesifik değerini tamamen teorik olarak bulmamıza izin vermez. Bununla birlikte, α'ya bağlı olarak bazı fiziksel olarak gözlemlenebilir miktarların hesaplanması ve ardından bu sonucun deneyle karşılaştırılması yoluyla belirlenebilir. Gabriels ve ortak yazarlarının yaptığı da tam olarak buydu. Cornell Üniversitesi profesörü Toichiro Kinoshita ve Japon meslektaşı Makiko Nio tarafından bu yıl yayınlanan pertürbasyon teorisinin dördüncü sırasına göre bir elektronun iç (spin) manyetik momentinin hesaplamalarını kullandılar ( Fiziksel İnceleme D, 73 , 013003, 2006). 1996 yılında yayınlanan pertürbasyon teorisinin üçüncü derecesindeki manyetik moment değerindeki düzeltmeleri hesaplamak için Kinoshita ve Nio, bir süper bilgisayarda uzun yıllar süren analitik hesaplamalar ve hesaplamalar gerektiren 891 Feynman diyagramlarından gelen katkıları hesaba katmak zorundaydı.

Bilindiği gibi bir elektronun manyetik momenti, spininin ve Bohr magnetonunun çarpımı ile orantılıdır. Orantılılık katsayısı genellikle Latin harfiyle gösterilir. G. 1928'de Paul Dirac tarafından formüle edilen göreli elektron teorisine göre, G= 2. Bu değer yirmi yıl boyunca olduğu gibi kabul edildi, ancak 1948'de Polycarp Kusch ve Henry Foley deneysel olarak şunu kanıtladı: G yaklaşık olarak 2,002'ye eşittir. Aynı zamanda kuantum elektrodinamiğinin yaratıcılarından Julius Schwinger de teorik olarak aynı değeri elde etti. Kuantum elektrodinamiği aşırılığı açıklıyor G Dirac değerinin üzerindeki faktör manyetik moment doğum nedeniyle artar sanal parçacıklar ve vakum polarizasyonu. O zamandan beri G-faktörü deneysel olarak birden fazla kez ölçüldü ve kuantum elektrodinamiği denklemlerine göre hesaplandı ve her seferinde sonuçlar giderek daha yüksek doğrulukla çakıştı. 1987 yılında Hans Demelt ve meslektaşları ölçüm yaptı. G-dört trilyonda bir doğruluğa sahip faktör; bunun için Hans Demelt iki yıl sonra Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Kinoshita ve Nio'nun hesaplamaları hayal etmeyi mümkün kıldı G-sonlu bir Taylor serisi biçimindeki faktör, ince yapı sabiti α'nın dördüncü kuvvetiyle orantılı bir terimle sonlanır. Demelt'in grubunun sonuçlarının doğruluğu, bu değeri deneysel olarak test etmek için yeterli değildi. Gabriels ve ekibi yeniden ölçüm yaptı G-faktörü tek elektronlu siklotron adını verdikleri bir alet kullanarak hesapladılar.

Bu cihaz, Gabriels ve Stephen Peil tarafından son on yılın sonunda oluşturuldu ve o zamandan bu yana sürekli olarak geliştirildi. Alternatif elektromanyetik alanlar kullanılarak tek bir elektronun kilitlendiği küçük bir iletken boşluktur (aslında bu, uzun süredir devam eden sistemin bir modifikasyonudur). bilinen cihaz, Penning tuzağı olarak adlandırılır). Ölçümler yapılırken cihazın ekseni boyunca yönlendirilen bir manyetik alan açılır. Bu alanın varlığı, elektronun siklotron frekansı fc ile bir spiral içinde hareket etmesine ve aynı zamanda fs frekansı ile alan vektörü etrafında devinim yapmasına neden olur.

Teoriye göre, G-faktör ikiyi (f s – f c)/f c'ye eşit bir miktarda aşar. Bu kesrin payı ve paydası deneysel olarak belirlendi. Bu ölçümler, tuzağın iç boşluğunun geometrisinin ve 0,1 K'ye kadar soğutulmasının son derece hassas hesaplamalarını gerektiriyordu - tüm bunlar stabiliteyi sağlamak için gerekliydi elektron yörüngeleriçünkü ölçümler saatler süren bir sürede gerçekleştirilmiştir. Deneyciler, elektronun çok düşük enerjisi nedeniyle son derece küçük olmalarına rağmen, göreceli düzeltmeleri bile hesaba katmak zorunda kaldılar.

Sonuçta deney anlam kazandı G/2 = 1,00115965218085 ve olası hata 0,76 trilyonu aşmaz (yani Demelt grubunun doğruluğu altı kat artırılmıştır). anlamı bu G-faktörü, 0,7 milyarda bir hatayla (önceki sonuçlara kıyasla on kat iyileşme) 1/137,035999710'a eşit olduğu ortaya çıkan alfa değerini hesaplamamıza izin verdi.

İnce yapı sabitinin hesaplanan değerindeki bu kadar dikkat çekici bir iyileştirme, kuantum elektrodinamiğinin sınırlarını belirleme fırsatı yaratır. Elektron ve pozitronun nokta parçacıklar olduğu varsayımına dayanmaktadır. Eğer bazı hipotezlerin iddia ettiği gibi elektron ve pozitron bir iç yapıya sahipse, bu durum alfa değerini etkilemelidir. (Kuşkusuz, ince yapı sabiti güçlü ve zayıf etkileşimlerden kaynaklanan çok küçük eklemeleri de içermektedir, ancak Gabriels'in grubundaki fizikçiler bunların dikkate alınabileceğine inanmaktadır).

Şimdi fizikçilerin ince yapı sabitini diğer yöntemleri kullanarak mümkün olduğunca doğru bir şekilde yeniden ölçmeleri gerekiyor (bu, örneğin Josephson etkisi ve kuantum Hall etkisi gibi katı hal fenomenlerinin yanı sıra fotonların rubidyum üzerine saçılması yoluyla yapılır). atomlar) ve elde edilen sonuçları Gabriels grubunun tahminiyle karşılaştırın. Bundan ne çıkacağını kim bilebilir?

Kaynaklar:
1) B. Odom, D. Hanneke, B. D "Urso, G. Gabrielse. Tek Elektronlu Kuantum Siklotron Kullanılarak Elektron Manyetik Momentinin Yeni Ölçümü (tam metin PDF, 256 Kb) // Fiziksel İnceleme Mektupları, 97, 030801 (2006).
2) G. Gabrielse, D. Hanneke, T. Kinoshita, M. Nio, B. Odom. Elektrondan İnce Yapı Sabitinin Yeni Tayini G Değer ve QED (tam metin PDF, 200 Kb) // Fiziksel İnceleme Mektupları, 97, 030802 (2006).
3) Toichiro Kinoshita, Makiko Nio. Elektronun anormal manyetik momentinin geliştirilmiş alfa 4 terimi // Fizik. Rev. D 73, 013003 (2006).

Mikrokozmosun adlandırılmış temel sabiti: α ≈ 1/137, 20'li yıllarda Arnold Sommerfeld tarafından atomların emisyon spektrumlarında deneysel olarak keşfedilen enerji alt düzeylerini tanımlamak için fiziğe tanıtıldı. O zamandan bu yana, etkileşimlerle ilişkili çeşitli fenomenlerde aynı sabit ilişkinin birçok başka tezahürü tanımlandı. temel parçacıklar. O zamanın önde gelen fizikçileri, bu sayının hem temel parçacıklar dünyasında hem de genel olarak evrenimizin yapısında önemini yavaş yavaş fark ettiler. Bu açıdan bakıldığında, mikro dünyadaki nesnelerin tüm temel özelliklerinin ve karakteristiklerinin yalnızca şunu söylemek yeterlidir: atomlardaki elektron yörüngelerinin boyutları, bağlanma enerjileri (hem temel parçacıklar hem de atomlar arasında) ve dolayısıyla tüm fiziksel ve Kimyasal özellikler maddeler bu sabitin değerine göre belirlenir. Daha sonra, bu sabiti kullanarak çok etkili bir biçimsel teori geliştirmek mümkün oldu - kuantum elektromanyetik etkileşimi fantastik bir doğrulukla tanımlayan modern kuantum elektrodinamiği (QED).

Yukarıdakilerden, keşfedildiğinden beri fizikte açık bir soru olan bu sabitin ortaya çıkışının fiziksel anlamını ve nedensel mekanizmasını açıklama görevinin önemi değerlendirilebilir. Teorisyenlerin dilinde, bu sorunu çözmek şu anlama gelir: ardışık hesaplamalar yoluyla deneysel olarak belirlenmiş değerine ulaşılabilecek olan, adı geçen sabitin ortaya çıkışına ilişkin ilk kavramı adlandırmak. Sorulan sorunun önemi mizahi bir ifadeden anlaşılabilir ünlü fizikçi dünyaca ünlü Wolfgang Pauli: "Öldüğümde şeytana sormayı düşüneceğim ilk şey, sürekli ince bir yapının anlamı nedir?" Richard Feynman, bu gizemli sayının varlığı gerçeğini "tüm fizikçiler için bir lanet" olarak değerlendirdi ve iyi teorisyenlere "bunu duvara çentiklemelerini ve her zaman bunun hakkında düşünmelerini" tavsiye etti!

Sunulan soru, her şeyden önce böyle bir önem kazanmıştır, çünkü adı geçen sabit, temel parçacıkların fiziksel özünü anlama sorunuyla doğrudan ilgilidir, çünkü onlardan ayrı olarak değil, onların derin özellikleri olarak görünür. Bu nedenle birçok fizikçi uzun yıllardır ısrarla bu sorunu çözmeye çalışıyor. en büyük zorluk, başvuruyor Farklı yaklaşımlar ve yöntemler. Ancak şu ana kadar tüm çabaları başarı ile taçlandırılmadı.

Yazar ne önerdi? "20. yüzyılın bilmecesi"nin çözümünün aslında ders kitaplarımızda ve iyi kitaplarda yer aldığını keşfetmeyi başardı. bilinen formüller, eğer dikkatli bir şekilde hesaplanırsa, dalgalarla ilgili! Bu, α'nın klasik bir dalga sabiti olduğu anlamına gelir. Ancak başlangıçta bize sunulanları dinlemeye istekli değilsek, bilmecenin en basit açıklamasının bile kafa karıştırıcı olabileceği konusunda uyarmalıyız. Deneyimin gösterdiği gibi, sonucun doğruluğu kimse tarafından reddedilmese de, soruna sunulan çözümün birçok uzman tarafından algılanması çok zordur!

Bu zorluğun nedeni nedir? Ne yazık ki, (başlangıçta geçici bir uzlaşma seçeneği olarak kabul edilen) resmi matematik teorileri konusunda fazlasıyla hevesli olan önde gelen modern teorisyenler, fizikte çözülmemiş temel bir "parçacık-dalga" ikileminin varlığını çoktan unutmuşlardır. Sonuç olarak, yazarın parçacığı lokalize bir duran dalga olarak hayal etme yaklaşımına şaşırmayacak bir fizikçiyle tanışmak zordur (her ne kadar aynı çözülmemiş ikilem nedeniyle resmi olarak bu oldukça kabul edilebilir olsa da). Ve bu, tartışılmaz otoritelerin çoktan benzer bir sonuca varmış olmasına rağmen fizik: Ağır argümanların baskısı altında Einstein, Schrödinger, Heisenberg vb.

Yazarın görüşüne göre sunulan çalışma ve elde edilen sonuç, fizik aydınlarının inançlarının doğruluğunun ciddi bir göstergesi olabilir. Ancak bu sonuç bir zamanlar meslektaşların çoğunluğu tarafından inatla göz ardı edildi (çünkü bu sonucun doğruluğunu teyit eden gerekli sonuçları elde etmek mümkün değildi). Sonuç olarak, teorik fiziğin bu alanındaki araştırmalar etkisiz bir yöne gitti. Önerilen çözüm, temel parçacıkların fiziksel özünü tanımlamanın anahtarı olabilir ve böylece modern biçimsel fenomenolojik teorilere bir alternatif olarak mikro dünyayı tanımlamaya yönelik açık bir yol açabilir. Bununla birlikte, buradaki son söz derin düşünen uzmanlara aittir - teorisyenler, kesinlikle bulunacağını ve vereceğimizi umuyoruz. Objektif değerlendirmeçalışma sundu.

PKS 1413+135 galaksisinin görüntüsü

Eric S. Perlman ve diğerleri. / Astronomi Dergisi

İnce yapı sabiti ve proton-elektron kütle oranı, son üç milyar yılda mevcut değerine göre 10-6'dan fazla azalmış olamaz. Bu, Hindistan ve ABD'den araştırmacılar tarafından belirlendi; bilim adamlarının bir makalesi yayınlandı; Fiziksel İnceleme Mektupları, çalışmanın bir ön baskısı arXiv.org web sitesinde yayınlanmaktadır.

Tüm fiziksel süreçlerin gidişatı, temel sabitler (veya sabitler) olarak adlandırılan ışık hızı, yerçekimi sabiti, Planck sabiti, ince yapı sabiti vb. tarafından belirlenir. Bu miktarlar çoğu fizik yasasında yer alır ve bilim adamlarının deneyi nasıl kurup yürüttüğüne bağlı değildir. Örneğin, ince yapı sabiti, bir elektronun g faktörünün veya bir hidrojen atomunun bir fotonun emilmesi üzerine geri tepme hızının ölçülmesiyle belirlenebilir - her iki durumda da sonuçlar çok iyi bir doğrulukla örtüşür (dokuzuncu ondalık basamağa kadar). ).

Ancak temel sabitleri ölçmeye yönelik tüm deneyler Dünya'da veya ona nispeten yakın (örneğin) gerçekleştirilmektedir. Temel sabitlerin hiç de sabit olmaması, Evrenin farklı noktalarında ve evriminin farklı aşamalarında farklılık göstermesi pekâlâ mümkündür. Aslında bazı teoriler bu tür davranışları öne sürüyor (örneğin bu, fizikçi Carlos Martins'in bir incelemesinde tartışılıyor). Bu nedenle bilim insanları sabitlerin zaman içinde nasıl değiştiğini çeşitli yöntemler kullanarak test etmeye çalışıyorlar. dolaylı yöntemler- örneğin çeşitli spektral çizgilerin kırmızıya kaymasını gözlemleyerek.

Bu makalede, Nissim Kanekar liderliğindeki bir ekip, ince yapı sabiti α ve proton-elektron kütle oranının μ en az üç milyar yıl boyunca sabit kaldığını gösterdi. Bunu yapmak için OH radikalinin 18 cm'lik emisyon hattının iki farklı uydu hattını kullandılar. Seçim kuralları nedeniyle, bu tür çizgiler eşleniktir, yani aynı dış çizgiye sahiptirler - bu tür iki çizginin optik kalınlığını toplarsanız, birbirlerini neredeyse tam olarak telafi ederler. Bir yandan çizgilerin eşlenikliği onların aynı madde tarafından yayıldığını garanti eder. Öte yandan, iki uydu hattının frekansı α ve μ parametrelerine farklı şekilde bağlıdır. Radyasyon anında bu parametreler mevcut değerlerinden farklıysa, kayıt sırasında hız uzayındaki çizgiler arasındaki mesafenin biraz değişeceği ve bu kayma ile parametrelerdeki değişikliğin takip edilmesinin mümkün olduğu ortaya çıktı.

Bilim insanları, PKS 1413+135 galaksisinin radyasyonunu kaydeden Arecibo teleskopunu kullanarak benzer frekans ölçümleri gerçekleştirdi. Teleskop, galaksiyi Nisan 2010 ile Haziran 2012 arasında toplamda yaklaşık 125 saat gözlemledi ve her seferinde yaklaşık beş dakika boyunca taradı. Dünyanın Güneş etrafındaki hareketi nedeniyle bilim adamları çizgileri her seferinde farklı hızlarda kaydettiler ve nihai hız çözünürlüğü saniyede yaklaşık 0,18 kilometre oldu. Her örnekte 1720 ve 1612 megahertz çizgileri aynı anda gözlendi. Bilim insanları, ölçümlerin doğruluğunu artırmak için bazı verilerin işlenmesini hariç tuttu; örneğin, radyo dalgalarının girişiminden etkilenen olayları attılar. Ayrıca Kolmogorov-Smirnov ve Anderson-Darling kriterlerini kullanarak çizgi spektrumunun Gauss dağılımını takip ettiğini doğruladılar ve bu kriterlerin karşılanmadığı ölçümleri hariç tuttular.

Optik kalınlığın hıza bağlılığı güneş merkezli sistem farklı frekanslardaki uydu hatlarına ilişkin okumalar (solda) ve bu bağımlılıkların toplamı (sağda)

N. Kanekar ve ark. / Fizik. Rev. Lett.

Daha sonra bilim adamları, çizgilerin spektrumları arasındaki maksimum korelasyonun hangi göreceli hızda elde edildiğini belirlediler - bunun Δ hızında gerçekleştiği ortaya çıktı. v≈ Saniyede +35±56 metre. Başka bir deyişle, dağılımların birinin maksimumu diğerinin minimumuna düşecek şekilde birbirine göre kaydırılmasına gerek yoktur. Bu, ince yapı sabitinin ve proton-elektron kütle oranının, çizgilerin yayılmasından bu yana çok az değiştiği anlamına gelir. Miktardaki göreceli değişimin toplam değeri X= μα 2 Δ'ya ulaştı X/X≈ (+0,97±1,53)×10 −6 ve önceki ölçümler dikkate alındığında Δ X/X≈ (−1±1,3)×10 −6. PKS 1413+135 galaksisinden bu yana z≈ 0,247, bu şu anlama gelir: değer X son üç milyar yıl boyunca iyi bir doğrulukla sabit kalmıştır. Elbette aynı şey α ve μ'deki değişiklikler için ayrı ayrı söylenebilir.

Yazarların daha önce ince yapı sabitinin değişim hızına ilişkin kısıtlamaları belirlemek için PKS1413+135 galaksisinin emisyonunda uydu hatlarını kullanmış olduklarını belirtmekte fayda var. O zaman Δ değerini aldılar X/X≈ (−6,3±2,5)×10 −6. Ayrıca başka bir grup bilim insanı da bu hızı, aralarındaki geçişleri gözlemleyerek belirledi. enerji seviyeleri iterbiyum iyonu. Yeni makalede, araştırmacılar bu sınırları yeni gözlemlerle daha da (yaklaşık altı kat) daha da hassaslaştırdılar.

Geçen yılın ekim ayında Amerikalı teorik fizikçiler, zaman içinde temel sabitlerde meydana gelen değişikliklerin birincil nükleosentez üzerinde, özellikle de berilyum-8 oluşumu üzerinde çok az etkisinin olduğu sonucuna vardı. Yani ince yapı sabiti ile diğer sabitler farklı olsa bile erken aşamalar Evrendeki yaşam, helyumdan daha ağır elementlerin konsantrasyonunda önemli bir artışa yol açmayacaktır ve böyle bir Evrendeki yaşam bizimkinden çok az farklı olacaktır.

Dmitry Trunin

Timofey Gurtovoy

Fiziksel anlam

sabit ince yapı

1/137'ye eşit olan boyutsuz sabit, Alman teorik fizikçi Arnold Sommerfeld tarafından 1916'da, hatta kuantum teorisinin yaratılmasından önce elde edildi. Daha sonra bu ismi aldı sürekli ince yapı. Sayısal ifadesi SGSE sisteminde aşağıdaki forma sahip matematiksel ifadeden elde edilmiştir:

2π e2

A= ─── , (1)

HİLE

Nerede: A - ince yapı sabiti; e – elektron yükü; H – Çubuk sabittir; İLE -ışık hızı.

Bu sabitin ne anlama geldiğini bulma çabaları, sonuçta onun elektromanyetik etkileşimi karakterize ettiği sonucuna varılmasına yol açtı. Ama, bu YANLIŞ onun yorumu. Özünü keşfetmek henüz mümkün olmadı. Açık olan tek şey, orijinali bu alana ait olduğundan, atomların spektrumlarının elde edilmesi sürecine ait olduğudur.

Dikkat çeken (1) ifadesinin anlaşılmazlığı merak uyandırmaktadır. Ve bunun, üzerinde biraz çalışılmış bir süreç olan atomik spektrum olgusuyla ilgili olması çifte merak uyandırıcıdır. Ve çözümü konusunda fikir ayrılıklarına yol açıyor, hatta şu da var: Acaba bu süreçte atomdan atılan elektronların kütlesi sabit bir değer olmayabilir mi? Bu durumda bir boyutun olması gerekir. Sommerfeld'in çalışmalarında "ima ettiği" bu süreçteki bir tür korelasyonun sonucu olmadığı sürece. O zaman miktar boyutsuz olabilir. Böylece denklem (1)'in fiziksel özünü gösterecek şekilde daha fazla analiz edilip tamamlanabileceği fark edildi ve yapıldı.

Analizin tamamlanmasının ardından, denklem (1)'in aslında atom bir durumdayken süreçteki belirli miktarların ilişkisini ifade ettiği ortaya çıktı. büyük enerji yükü yüksek sıcaklığın bir sonucu olarak. Fakat spektrumun ortaya çıkma sürecinde değil radyasyon nedeniyle ve atomun kendisinde meydana gelen bir süreçle.

Herhangi bir madde sıcaklığı artırarak buhar durumuna getirilirse, atomları rezonans frekanslarının spektrumlarını yaymaya başlar. Ancak yayılan atomların kendisi değil, aşırı uyarılmış atomlardan fırladıkları anda parçacıklardır.

Bu durumda ince yapının matematiksel ifadesi bazı şeyleri tanımlamalıdır. gerekli bu süreçte ortaya çıkan bir gerçektir. Bu nedenle Sommerfeld denkleminin elektronların katılımıyla tamamlanması pozisyondan gerçekleştirildi. serbest akım taşıyıcılarının ortaya çıkışı atom aşırı uyarıldığında.

Devam eden analizin bir sonucu olarak, ifade (1), artık fiziksel anlamını takip eden denklem (2)'ye dönüştürüldü (taslaktaki sonuç, hazırlanan, 2. baskı).

2π σ

A = ──── , (2)

Elektriksel iletkenlik fiziksel bir parametredir elektrik devresi Bu, bazı malzemelerin bir dereceye kadar elektrik akımını iletme yeteneğini gösterir. Genel iletkenlik boyutu – [santimetre /İle ].

Genel iletkenliği (2)'ye alarak devrenin kendisinin olduğunu vurguluyoruz. elektrik akımı, bu durumda dikkate alınmaz ve iletkenlik yalnızca şu şekilde söz konusudur: mevcut taşıyıcı kinetiği parametresi. Bu durumda (2)'deki ince yapı sabiti toplam iletkenlik ile birlikte şu değer olacaktır: boyutsuz (3).

bir = 2π σ [cm/s]/ C [cm/s]= 1/137(3)

Toplam elektrik iletkenliğinin boyutuna göre hareketi açıklayan Denklem (3) [santimetre /İle ] , bazı iki elektron hızının oranını gösterir Ve1 Ve Ve2 bir atomda. Ve denklemin yapısına göre sabit bir değer olması gerekir (4).

Av = Ve1/ Ve2= 1/137 (4)

Bilindiği gibi elektron, kararlı bir temel parçacıktır. Rasyonel fiziğe göre, maddi nesnelerin yapısı, bir dış kabuk biçimindeki maddeselliğin ve merkezdeki mutlak boşluğun çekirdeğinin birleşimiyle temsil edilir. Bu durumda parçacıkların stabilitesi, ince vakum çekirdeğinin maksimum -C'ye eşit girdap hızı ile sağlanan mutlak vakum çekirdek hacminin yeterliliği ile belirlenecektir. ilkel kabuklar. Bir parçacığın, bu durumda bir elektronun kabuğunun girdap hızı, ona dönme hareketi vererek, onun Uzayda aynı maksimum hızla spiral şeklinde hareket etmesini sağlar. Bu hıza hız diyeceğiz döndürücü .

Hızın yanı sıra spiral (döndürücü) Uzayda hareket eden bir elektronun da hızı vardır doğrusal (aşamalı), dış elektrik alanının hızlanan enerjisinden kaynaklanır.

Sarmal elektronun hızı onun tarafından verilir orbital bir atomdaki hareket. Ve bir atomdaki benzer bir yörünge hızı değeri (-C'ye eşit) yalnızca vakum çekirdeğinin yüzeyinde olabileceğinden, bu, elektronun çekirdeğin yüzeyinden, yani merkezinden ve çekirdeğin yüzeyinden fırlatıldığı anlamına gelir. salınım sürecinde kürenin sınırını geçen minimum hacim momenti . Sıfırlamanın bir sonucu olarak elektron hızı ortaya çıkar - ilerici. Parçacığın bu hızı onun hızıdır atomu terk etmek. Bu nedenle buna inanmak için her türlü neden var denklem (4) ifade eder Bir atomdaki elektron hızlarının oranı : çıkış hızı (Ve1 = Ve.v.) , İle hız orbital (Ve2 = Ve.o.) , aksi takdirde, spiral (döndürücü) Uzayda – C .

(4)'e göre, atomdan elektron çıkış hızı sabittir ve kesin olarak tanımlanmış bir şekilde sınırlayıcı olan C'den 137 kat daha azdır.

Denklem (4) analiz edilirken, bazı fiziksel özellikleri fark etmeden duramayız, diyelim ki, "adaletsizlik", bu da bundan kaynaklanmaktadır. Elektronun uzaysal spiral hızının – C'ye eşit sabitliği, şunu belirtir: istikrar Ve eşitlik hızlar herkes elektronlar şu ya da bu nedenle atomların sınırlarını terk ediyor, yani. herhangi bir maddedeki çıkış oranlarının eşitliği. Normal koşullar altında bu gerçekleşmemelidir, çünkü bir atomu Uzaya bırakan elektronun işi her malzeme için ayrıdır. Ve süreç analizimizde ya bir yerde bir hata yapıldığına ya da bu denklemin sadece tanımladığına dair bir şüphe ortaya çıkıyor özel durum.

Ancak Sommerfeld'in matematiksel araştırmasının atomların spektral tezahürü olgusuna dayandığını dikkate alırsak, gerçeklikle ilgili herhangi bir şüphe ortaya çıkar. istikrar Ve eşitlik onlardan elektron çıkış oranları ortadan kalkmalıdır. Aslında bu denklem, Doğada benzer gerçeklerin varlığı, atom spektrumlarının elde edilmesini mümkün kılan, spektral çizgilerin dağılımının yalnızca özerk olarak ortaya çıkan atom yapılarının enerjisine bağlı olduğu özel bir durumu temsil ettiğinden. Yani bir maddenin sıcaklığının önemli ölçüde artması ve buhara dönüşmesi durumunda, yani; istikrar Ve eşitlik Kullanılan malzemeden bağımsız olarak elektron emisyon oranları oldukça mümkündür.

Normal sıcaklık koşulları altında, yeterli uyarılma enerjisiyle atom, kütle salınımının periyodu başına yalnızca bir tane olmak üzere yalnızca monoenerjetik elektronlar yayar. Yüksek sıcaklıklarda atom, çok enerjili elektronlardan oluşan bir paketin tamamını dışarı atar.

Atomlara giren enerjinin fazlalığı, atomların yapısal kısımları arasında ilave vakum bölgelerinin ortaya çıkmasına neden olur. Bu, daha önce normal durumda yüksek olan yapısal bağlantıları zayıflatır. Ve atomların çalışma özgürlüğü kazanan yapısal parçaları, her biri kendi rezonans frekansıyla bağımsız olarak salınmaya başlar.

Yüksek derecede salınım koşulları altında, atom, daha önce olduğu gibi, yapısal boşluk bölgelerinin ortaya çıkmasının bir sonucu olarak, bütünleşik işleyiş anlamında, yekpare, kompakt bir oluşum olmayı bırakmadan, varlığını sona erdirir. Yapısal parçalarının her biri ayrı ayrı ve her biri kendi rezonans modunda salınacaktır. Bağımsız olarak salınan atomun yapısal kısımları elektronlar yayar, böylece atomların kendilerine dışarıdan giren fazla enerjiden arındırılması süreci hızlandırılır.

Atomik yapıların enerji bağımsızlığı, salınımlarının rezonans moduna izin vermesi, bu oluşumları elektron yayma sürecine eşit şartlarda sokar. Bu durumda (4)'teki ilişkinin sabitliği mutlaka gözlenecektir.

Bu koşullar altında elektron yörüngelerinin yarıçapındaki farklılık, yalnızca dönüşleri sırasında zaman içinde farklı bir döngüsellik yaratır. Bir dizi spektral çizgi şeklinde gözlemlenen bu sürece eşlik eden radyasyonun frekansını belirleyen şey.

Özetleme, sadece tamamlandı, V ek analiz Sommerfeld denklemi, atomların yüksek sıcaklıktaki salınımının, elektronların serbest bırakılması için aynı koşulları yarattığını, bunların serbest bırakılma süreci için enerji maliyetlerinde önemli bir fark olmadığını söyleyebiliriz. farklı maddeler. Ve atomların aşırı enerji yüklemesi koşulları altında, onları bu davranışta eşitlemek, aşağıdakilerin elde edilmesine yol açar: spektrum "temiz" yankılanan frekanslar aslında atomun iç yapısını yansıtır.

Analizin tamamlanması

Ayrıca, pratikte görüldüğü gibi, salınan atomların, emdikleri elektromanyetik kuantumun çıkış enerjisinden daha az olmayan bir enerjiye sahip olması durumunda, normal sıcaklık koşullarında bile parçacıkları Uzaya fırlatabildikleri de unutulmamalıdır. Bu durumda hem elektronlar hem de pozitronlar yayılır.

Elektron, daha önce de belirtildiği gibi, atomun merkezinden, yörünge hızının - C'ye eşit olduğu vakum bölgesinin yüzeyinden fırlatılır. Bunun nedeni, büyüklüğünün aynı olmasıdır, döndürücü Uzayda hız. Bu onun gücünün ve dayanıklılığının anahtarıdır ve çevrenin mikro yapısıyla tekrarlanan etkileşimlerde bile var olmasını sağlar.

Pozitron, maddenin girdap hareketinin hızının ve dolayısıyla yörünge hızının maksimumdan daha az olduğu atomun yüzey katmanlarından fırlatılır. Dolayısıyla girdap hareketi yetersiz olduğundan, ek enerji almadan, ancak mikro yapısıyla ilk buluşmasına kadar Uzayda var olabilir. Daha sonra parçalanır ve elektromanyetik bir kuantum yayarak ana maddeye dönüşür.

Atomların spektrumlarını elde etme olgusunda, elektriksel iletkenlikten bahsederken, denklemin boyutunu genel biçimde, yani bir elektrik devresindeki akım taşıyıcılarının hareketini değil, sadece Uzaya fırlatılan elektronların kinetiği. Bir elektrik devresinde elektronların akım taşıyıcıları olarak ortaya çıkmasını ve hareketini düşünürsek, bu durumda iletkenlik, karakterize eden fiziksel bir parametre olacaktır. kaliteözel elektrik devresi. Ve denklem (3)'te olması gerekir, özel - σ sen., boyuta sahip – [ 1 /İle ] . Denklemin bir terimi için böyle bir boyutun benimsenmesi, önceki boyutsuzluğunu ihlal ederek, bu fiziksel sabitin boyut kazanır.

ά= 2π σ en/ S[cm/s] = 1/137(5)

Şimdi (5)'te, Anlam denklem (4), oran olarak BEN hız çıkış Bir atomdan elektronun hızına Uzaysal (yörünge) bileşenlerin farklı boyutları nedeniyle, kaybolur. Öncekini geri yüklemek için Anlam denklemde, uzaysal koordinatın boyutu payda görünmelidir – [santimetre] . Ancak bu ancak yeni tanıtılan bir fiziksel parametreyle ortaya çıkabiliyor. Halihazırda var olan bir denklemde böyle bir yenilik yasal olur mu?

Enerjiye doymuş bir atomun yapıları tarafından yük emisyonunu değil, bir elektrik akımı devresinde bir elektrik alanının normal enerji durumunda olan atomlar üzerindeki etkisi nedeniyle bunların üretim sürecini dikkate alırsak, bu da uyaracaktır. elektronların (pozitronların) salınması, o zaman böyle bir hareket mümkündür. Ve girilen parametre şu hale gelebilir: yörünge yarıçapı parçacık fırlatıldı.

Ancak yeni eklenen parametre yarıçap kendi sayısal değeri olan, geri yükleme Anlam boyutlarıyla denklemler, şimdi ihlal edecek Sayısal değer onun sonucu. Ayrıca bu değer yalnızca belirli bir malzemenin atomları için sabit olacaktır. Çünkü parçacık, bulunduğu malzemeden bir elektrik devresine atılır. Fiziksel olarak bu, denklem (2)'nin artık belirli bir malzeme için bir parçacığın atomdan fırlatılma hızının bir elektrik devresindeki hızına oranını temsil etmesi gerektiği anlamına gelecektir. Ve ifade (2), tanıtılanla birlikte mekansal parametre, yarıçap şeklinde – R [santimetre] Yörünge parçacığı aşağıdaki formu alacaktır:

2π R σ en

ά = ──── , (6)

Nerede: ά – hız oranının büyüklüğü, ancak sabit bir değere eşit değil 1/137 ; σ en– elektrik devresi malzemesinin spesifik iletkenliği; R- bir elektrik alanı ve kapalı bir devre varlığında bir elektrik akımının oluşmasına neden olacak bir atom parçacığının yörüngesinin yarıçapı; İLE- ışık hızı.

Elektrik akımının taşıyıcıları olarak beta parçacıkları hem negatif elektronlar hem de pozitif pozitronlar olabilir. Her ikisi de elektrik akımı devrelerinde yalnızca EMF aktifken atomdan atoma atlayarak var olurlar.

Elektrik devrelerinde elektrik akımının oluşma süreci ve oradaki varlığı aşağıdaki şekilde gösterilebilir. Bir elektrik devresinde bir EMF oluştuğunda, devreyi oluşturan malzemelerin atomları polarize olur. Malzeme kabukları vakum çekirdeklerine göre kayar (ikincisi, malzemenin kristal kafesinin düğümlerini temsil eder, katı bir sistem oluşturur ve etraflarında atomların salınımı meydana gelir).

Tüm etkileşimler materyal Dünya Maddenin Potansiyel Derecelendirmesi temel yasasına göre oluşur. Malzemeleri oluşturan atomlarda olumsuz Devreye elektron sağlayan Hall katsayısı, malzeme kabuklarının EMF kaynağının negatif kutbunun potansiyelinden daha büyük bir yüzey potansiyeline sahiptir. Bu nedenle kafes düğümlerine göre kabuklar bu direğe doğru kayar. Ve salınım sırasında, minimum hacim anında, EMF kaynağının etkisi altında, "parçacıklar" - elektronlar vakum çekirdek küresinin yüzeyinden, ters yönde, pozitif kutba doğru.

Malzemeleri oluşturan atomlarda pozitif Hall katsayısı ile her şey tam tersi olur, çünkü maddi kabuklarının yüzey potansiyeli EMF kaynağının pozitif kutbunun potansiyelinden daha azdır, dolayısıyla kabuklar kendi yönünde kayar. Sıfırlandı "parçacıklar" - pozitronlar atomların yüzeyinden, salınan atomun maksimum hacmine ulaştığı anda hareketlerini hızlandırır ve EMF kaynağının negatif kutbuna doğru.

Elektrik devresini oluşturan malzemelerin atomlar arası boşluklarında serbest birincil madde bulunmaması nedeniyle, dışarı atılan "parçacıkların" hareketine karşı direnç yoktur. Ve onların noktasal parçacık formuna dönüştürülmesi gerçekleşmez. Yani, karşılaştıkları zincir malzemesinin atomları ile etkileşime girerken, bunun sonucunda yoğun inhibisyon onların nihai parçalanmasına ve birincil maddeye dönüşmesine yol açar.

Kaynak EMF'nin etkisi altında, ortaya çıkan asal mesele formlar genel akış, kapalı bir devrenin halkası boyunca. Elektriğin gerçek taşıyıcıları olan ve çürümüş olduğu varsayılan "taşıyıcılar" tarafından oluşturulan birincil parçacıkların tek bir akışı, elektrik akımıdır. A Tüm Varsayılan ve gerçek taşıyıcıların bremsstrahlung radyasyonu – Joule ısısı.

Birincil parçacıklar en düşük yüzey potansiyeline sahiptir, dolayısıyla akışlarının hareketi EMF kaynağının pozitif kutbuna doğru yönlendirilir. Bu arada, sezgisel olarak da olsa, bilimsel gerekçe olmadan tarihsel olarak doğru bir şekilde kabul edildi.

Akım iletkenlerinin atomlar arası uzayında olduğundan, mekansal ortam yoksa, onunla sınırlı olmayan taşıyıcıların (birincil parçacıklar) akış hızı, birincil maddeyle birlikte Uzay'dakinden çok daha yüksek olacaktır. Bu, tanıtılan denklem kullanılarak (6)'da matematiksel olarak gösterilmiştir. Sayısal değerler iletkenlik - σ en ve parçacığın yörünge yarıçapı – R bir atomda.

Örneğin, salınan bir atom tarafından fırlatılabilen bir elektronun "yörüngesinin" yarıçapının değeri, bir atomun çekirdeğinin yarıçapından farklı değildir - 7.21·10-12 [santimetre]. Pozitron “yörüngesinin” yarıçapı atomun yarıçapına eşittir.

Bir elektrik devresindeki parçacıkların hızının Uzaydaki hızlarını önemli ölçüde aştığı gerçeği fizikte zaten kabul edilmiştir: bir elektrik devresindeki akımın yayılma hızı neredeyse anlıktır.

Yukarıdakilerin tümü, denklem (6) ifadesine dayanarak, elektrik akımı taşıyıcılarının sürekli var olan bir formda olduğunu göstermektedir. elektron gazı iletkenlerde bulunmaz. Ancak bu sadece bunun kanıtı değil, aynı zamanda bunun deneysel olarak doğrulanması da var.

Eşitliklerden sonuçlar – (4) ve (6)

Tüm yapısal malzeme oluşumları ve bireysel parçacıklar Bir atomu oluşturan atomlar ayrı ayrı ele alınırsa tam tanecikli (yoğunlaşmış, noktasal) bir yapıya sahip değildir. Bunlar, söylendiği gibi, her biri kendi halka yörüngesinde bulunan, bir vakum çekirdeği etrafında girdap hareketi yapan halka oluşumlarıdır. Parçacıklar, bir atomdan Uzaya çıktıklarında konsantre, noktasal bir form kazanırlar ve buna enerji harcarlar. Böylece , Birincil maddeyle dolu Uzaya bir atomdan (elektron veya pozitron) ayrılan bir parçacığın enerjisi, onun formunun dönüşüm enerjisidir. Parçacıkların halka şekli torus topolojisi ile top şekline dönüşür. Torus topolojisi şunları sağlar: serbest parçacık bir dönüşe sahiptir ve elektrik ve manyetik alanlarda polarizasyonuna katkıda bulunur.

Uzayda dönüşüm süreci iki taraflı. Şu tarihte: hızlanma parçacıklar, madde dağınık, dağılmış Devletler, Uzayda bir duruma dönüşür konsantre bir parçacıkta, kütlesini arttırmak. Şu tarihte: frenleme, tersine, devletten gelen mesele odaklanmış bir parçacıkta duruma girer dağınık, dağılmış boşlukta, kütlesini azaltmak.

İÇİNDE atom ancak bir parçacık dışarı atıldığında yalnızca maddenin konsantrasyonu. Atomdaki halka şeklindeki formu, Uzayda konsantre hale gelir, nokta şekli.

Maddenin dönüşüm hızı sonludur ve –C'ye eşittir. Maddenin dönüşüm süresi doğrudan miktarına bağlıdır. Bu nedenle, maddenin kütlesinin birincil maddeye ve bunun tersi de birincil maddenin maddeye dönüşme zamanına oranı sabit bir değerdir.

AT.= m1 /T1 = m2 /T2 … mn / tn = Sabit (7)

Fırlatılan parçacıkların (elektron ve pozitron) kütlelerinin farklı boyutlarda olduğu bilinmektedir. Fakat Toplam bir elektrik devresindeki akım taşıyıcılarının kütlesi (birincil madde parçacıkları) - ∑ MN. T.., dönüşümden sonra çeşitli madde miktarı, parçacıkları birincil maddeye fırlattı, tüm alanlarında farklı iletkenliğe sahip malzemelerden oluşan (farklı Hall katsayılarına sahip), aynı .

Bu ancak dönüşüm anında mümkün olabilir. ve dönüştürülen kütlenin değerindeki değişiklik, yüzünden farklı hızlar Emisyonların eşitlenmesine yol açan parçacıkların hareketi. Bir elektronun ve pozitronun bir atomdan elektrik devresine çıkma hızı, yörünge hızları tarafından belirlenir ve bunlar farklıdır. ve. > vP... Ve daha yüksek hızda katkı maddesi miktarı daha fazla olacaktır - ∆ M.

∑ MN. T. = Me.(ve.) = MP.(vP.) (8)

Uygulama, farklı Hall katsayılarına sahip malzemelerden oluşan bir elektrik devresinde tüm bölümlerindeki akım değerinin aynı olduğunu göstermektedir. Bu, temel akım taşıyıcılarının (birincil parçacıklar) toplamından oluşan toplam yükün olduğu anlamına gelir. ∑ QN. T Devrede dolaşan . da sabittir. Ve (7) ve (8)'i hesaba katarak, eşitliği (9) ve özdeşliği (10) koyarız.

sen ∑ QN. T.= sen(Qe.+ Q P.) = Me.C2 + MP.V2 (9)

∑ QN. T. = Qah+ Q P.≡ ∑ MN. T. = Me. + MP. (10)

Ve bundan şu sonuç çıkıyor şarj taşıyıcı onun ağırlık , olarak ifade edildi elektrik üniteleri . Bu, parçacığın bu fiziksel parametrelerinin M Ve Q, karşılık gelen katsayı aracılığıyla – k, eşitlenebilir ve mekanik olarak elde edilebilir elektromanyetik kütle (11).

m = k q, nerede k boyutu var [kilogram/Cl]. (11)

Elektromanyetik kütleyi elektromanyetik alanın parametreleri aracılığıyla ifade etmek mümkündür ancak bu başka bir konunun sorusudur.

Kaynakça

1. Sataeva O, Afanasyev T. BİZ KİMİZ VE NEREDENİZ? /HAKKINDA. Sataeva, T. Afanasyev. // Monografideki materyalin desteklediği yansımalar“Evrende yalnız değiliz,” 1. baskı. – Irkutsk: IVVAIU (VI), 2007. – 208 s.

Sommerfeld, Keplerian yörüngeleri boyunca elektron hareketi teorisinde ortaya çıkan iki açısal momentumun oranıydı - göreceli olarak periapsisin hareketinden sorumlu olan sözde sınırlayıcı moment ve ilk kuantuma karşılık gelen moment. durum. Daha sonra onun ünlü kitap Sommerfeld, atomun Bohr modelinde birinci dairesel yörüngedeki elektronun hızının ışık hızına oranı olarak “Atom yapısı ve spektrumu”nu ortaya attı. Bu değer ayrıca hidrojen benzeri atomların spektral çizgilerinin ince bölünmesini hesaplamak için kullanıldı.

Çokluğun birden az olması, pertürbasyon teorisinin kuantum elektrodinamiğinde kullanılmasına olanak sağlar. Bu teorideki fiziksel sonuçlar, artan güçlerin giderek daha az önemli hale geldiği bir dizi güç olarak sunulmaktadır. Tersine, kuantum renk dinamiğindeki büyük etkileşim sabiti, güçlü etkileşimi hesaba katan hesaplamaları son derece zorlaştırır.

Kuantum elektrodinamiğinin tahminleri doğru olsaydı, ince yapı sabiti Landau kutbu olarak bilinen bir enerji değerinde sonsuz büyük bir değer alırdı. Bu, kuantum elektrodinamiğinin kapsamını yalnızca pertürbasyon teorisinin kapsamıyla sınırlar.

Büyüklüğün sabitliği

İnce yapı sabitinin gerçekten sabit olup olmadığı, yani her zaman modern bir değere sahip olup olmadığı veya Evrenin varlığı sırasında değişip değişmediği sorusunun incelenmesi, uzun Hikaye. Bu türden ilk fikirler 1930'larda, Evren'in genişlemesinin keşfedilmesinden kısa bir süre sonra ortaya çıktı ve temel sabitleri zaman içinde değiştirerek Evren'in statik bir modelini sürdürme hedefini takip etti. Böylece, J. ve B. Chalmers'ın makalesinde, temel yük ve Planck sabitindeki eşzamanlı artış nedeniyle galaksilerin spektral çizgilerinde gözlemlenen kırmızıya kayma için bir açıklama önerildi (bu aynı zamanda zamana bağlılığa da yol açmalıdır) . Diğer bazı yayınlarda, ince yapı sabitinin değişmeden kaldığı, ancak onu oluşturan sabitlerin değiştiği varsayılmıştır.

İnce yapı sabitinin zaman içinde değiştirilmesi sorunu 1967'de ciddi testlere tabi tutuldu. Başlatıcı, Dirac'ın yerçekimi sabitindeki bir değişiklik fikrini kabul etmeyi reddeden, bunun yerine temel yükün bir değişimi hipotezini koyan ve sonuç olarak . Ayrıca bu varsayımın uzak galaksilerin spektrumlarının ince yapısını gözlemleyerek test edilebileceğini de gösterdi. Freeman Dyson ve Asher Perez tarafından Gamow'un varsayımına karşı nükleer fiziksel ve jeolojik nitelikteki itirazlar dile getirildi ( Aşer Peres). Gamow'un hipotezinin doğrudan deneysel testi John Bacall tarafından gerçekleştirildi ( John N. Bahcall) ve kırmızıya kayan beş radyo galaksisinin ince bölünme çiftlerini ölçen Maarten Schmidt. Deneyden, ince yapı sabitinin ölçülen değerinin laboratuvar değerine oranı takip edildi; bu durum, vakadaki tahminle çelişiyordu (ayrıca incelemeye bakın). Gamow hemen yenilgiyi kabul etti. Oklo'daki doğal nükleer reaktör üzerinde 1970'lerde gerçekleştirilen çalışmalar, ince yapı sabitinde herhangi bir değişiklik ortaya çıkarmadı. Tüm bu çalışmalar, diğer temel sabitlerdeki değişikliklerin olası hızı ve niteliği konusunda çok katı kısıtlamalar getirilmesini mümkün kıldı.

Bununla birlikte, 2000'li yılların başında astronomik gözlem tekniklerindeki gelişmeler, ince yapı sabitinin zaman içinde değerini değiştirmiş olabileceğini öne sürdü: Kuasar spektrumlarındaki soğurma çizgilerinin analizi, yaklaşık yılda bir göreceli değişim oranı önerdi. İnce yapı sabitindeki olası bir değişikliğin kozmoloji açısından sonuçları da araştırıldı. Ancak Nisan 2004'te Şili'deki Paranal Gözlemevi Teleskobu'nun 8,2 metrelik teleskoplarından birindeki UVES spektrografı kullanılarak kuasarların daha ayrıntılı gözlemleri, son on yılda olası değişimin milyonda 0,6 parçadan () fazla olamayacağını gösterdi. milyar yıl (makalelere ve basın bültenine bakın). Bu sınırlama daha önceki sonuçlarla çeliştiği için sabit olup olmadığı sorusunun açık olduğu düşünülmektedir.

Hesaplama girişimleri (numeroloji dahil)

Erken girişimler

Bilinen matematiksel sabitlerin hiçbiriyle hiçbir şekilde ilişkisi olmayan, boyutsuz bir nicelik olan ince yapı sabiti, fizikçiler için her zaman hayranlık konusu olmuştur. Kuantum elektrodinamiğinin kurucularından Richard Feynman bunu şöyle adlandırdı: "Fiziğin en büyük gizemlerinden biri: hiçbir insan tarafından anlaşılmadan bize gelen sihirli bir sayı". Bu sabiti tamamen matematiksel büyüklükler cinsinden ifade etmek veya onu bazı fiziksel hususlara dayanarak hesaplamak için çok sayıda girişimde bulunulmuştur. Yani, 1914'te kimyagerler Gilbert Lewis ve Elliott Adams ( Elliot Quincy Adams), Stefan sabiti ifadesinden başlayarak, bazı varsayımlardan sonra Planck sabitini elektron yükü ve ışık hızı cinsinden ifade ettiler. O zamanlar henüz bilinmeyen formüllerinden ince yapı sabitini oluşturursak, şunu elde ederiz:

Lewis ve Adams'ın çalışmaları gözden kaçmadı ve diğer birçok bilim adamı tarafından da ele alındı. Herbert Stanley Allen ( H.Stanley Allen) makalesinde yukarıda belirtilen boyutsuz miktarı ( ile göstererek) açıkça oluşturmuş ve onu elektronun yükü ve kütlesi ile ilişkilendirmeye çalışmıştır; ayrıca elektron ve protonun kütleleri arasındaki yaklaşık ilişkiye de dikkat çekti. 1922'de Chicagolu fizikçi Arthur Lunn ( Arthur C.Lunn) ince yapı sabitinin nükleer kütle kusuruyla bir şekilde ilişkili olduğunu öne sürdü ve aynı zamanda (-Newton yerçekimi sabiti) ilişkisi aracılığıyla yerçekimi ile olası bağlantısını da değerlendirdi. Ek olarak, için birkaç tamamen cebirsel ifade önerdi: , , , .

İnce yapı sabitini Evrenin parametreleriyle ilişkilendirmeye yönelik ilk girişim 1925'te Liverpoollu fizikçi James Rice tarafından yapıldı ( James Pirinç Astrofizikçi Arthur Eddington'un birleşme konusundaki çalışmalarından çok etkilenmişti. genel teori elektromanyetizma ile görelilik. Rice ilk makalesinde Evrenin eğrilik yarıçapına ilişkin şu ifadeye ulaştı:

elektronun elektromanyetik yarıçapı nerede, elektronun yerçekimi yarıçapıdır. Ancak çok geçmeden hesaplamalarında büyük bir hata keşfetti ve bir sonraki notunda ilişkinin düzeltilmiş bir versiyonunu sundu:

Rice, Evrenin yarıçapı için cm değerini ayarlayarak şunu elde etti:

Eddington'ın teorisi

20. yüzyılın ortalarındaki diğer girişimler

Her ne kadar bazı önde gelen fizikçiler (Sommerfeld, Schrödinger, Jordan) Eddington'un teorisiyle ilgilenseler de, deneyle anlaşmanın zorluğu çok geçmeden açıklığa kavuştu; ayrıca Eddington'ın tekniğini anlamak da zordu. İle uygun ifade Wolfgang Pauli'ye göre bu, "fizikten çok romantik şiir"di. Bununla birlikte, bu teori, ince yapı sabitinin kökenini analiz etmek için kendi az çok spekülatif yaklaşımlarını öneren birçok takipçinin ortaya çıkmasına neden oldu. Yani 1929'da Vladimir Rozhansky ( Vladimir Rojansky) aslında Allen'ın proton ve elektronun kütleleri arasındaki ilişkiyi "yeniden keşfetti" ve Enos Whitmer ( Enos Witmer) helyum ve hidrojen atomlarının kütleleri arasında şu şekilde bir ilişki önerdi

Doğanın diğer sabitleriyle (özellikle de) bağlantı kurmaya yönelik benzer girişimler bu sıralarda Wilhelm Anderson tarafından da yapılmıştır ( Wilhelm Anderson), Reinhold Fürth ( Fürth'ü yeniden tutun), Walter Glaser ( Walter Glaser) ve Kurt Sitte ( Kurt Sitte) (belirlediler en yüksek miktar kimyasal elementler olarak), Arthur Haaz ( Arthur Erich Haas), Alfred Lande ve diğerleri. Bu tür çalışmaların büyük bir kısmı fizikçiler Guido Beck, Hans Bethe ve Wolfgang Riezler'i motive etti ( Wolfgang Riezler) dergiye gönder Die Naturwissenschaften komik not “Mutlak sıfır sıcaklığın kuantum teorisine doğru.” Bu makale, numerolojik formül arayışının parodisini yaptı. fiziksel sabitler ve ince yapı sabitinin yaklaşık olarak eşit olduğu ve °C'nin mutlak sıfır sıcaklık olduğu gerçeğine ilişkin bir "açıklama" sundu. Derginin editörleri notun parodik niteliğini fark etmediler ve onu yayının sayfalarında yayınladılar. Gerçek ortaya çıktığında şaka dergi editörü Arnold Berliner'i kızdırdı ( Arnold Berliner), böylece Sommerfeld'in ısrarı üzerine Bethe, davranışından dolayı özür dilemek zorunda kaldı.

1937'de müonun keşfinden sonra, yeni parçacığın doğadaki sabitlerle bağlantısı hakkında spekülatif spekülasyonlar ortaya çıktı. Patrick Blackett'e göre yerçekimi ile müon ömrü arasında formda olası bir bağlantı var.

müon kütlesi nerede? Henry Flint ( Henry Flint), görelilik teorisinin 5 boyutlu uzantısına ilişkin değerlendirmelere dayanarak ilişkiyi elde etti. Daha sonraki girişimler arasında, proton ve elektronun kütleleri arasında, belirli bir Friedrich Lenz'in son derece kısa bir notunda ortaya çıkan, tamamen numerolojik bir ilişkiye dikkat çekilebilir ( Friedrich Lenz) ve şunu okudu: . 1952'de Yoichiro Nambu, elektrondan daha ağır temel parçacıkların kütlelerinin aşağıdaki ampirik formülle tanımlanabileceğine dikkat çekti:

bir tamsayı nerede. Örneğin, müon kütlesi için (), - pion kütlesi için (), için - nükleonların yaklaşık kütlesi () için.

Max Born ve Werner Heisenberg'in mevcut alan teorilerine ilişkin genellemelerine dayanarak yaptıkları ince yapı sabitinin değerini hesaplamaya yönelik girişimler bilimsel açıdan daha sağlamdı. Born, "karşılıklılık ilkesine" dayanan yaklaşımını kullanarak (örneğin bkz. eserler), 1940'ların sonuna gelindiğinde ancak bunu veren bir tahmin elde edebildi. Heisenberg, doğrusal olmayan alan teorisi çerçevesinde, sabitin deneysel değeriyle yalnızca büyüklük sırasına göre uyum sağlamayı da başardı.

Modern girişimler

Uzay-zamanın varsayılan boyutuyla bir bağlantı da mümkündür: Son zamanların en umut verici teorilerinden biri olan ve süper sicim teorisinin bir genellemesi olarak gelişen ve her şeyi açıklama iddiasında olan "M-teorisi" olarak adlandırılan teoride. fiziksel etkileşimler ve temel parçacıklar - uzay-zamanın 11 boyutlu olduğu varsayılır. Bu durumda makro düzeyde bir boyut zaman olarak algılanır, üç boyut daha makroskobik mekansal boyut olarak algılanır, geri kalan yedi boyut ise sadece mikro düzeyde hissedilen “çökmüş” (kuantum) boyutlardır. PTS, 1, 3 ve 7 sayılarını 10'un katları olan faktörlerle birleştirir ve 10, süper sicim teorisinde uzayın toplam boyutu olarak yorumlanabilir.

Benzer şekilde matematikçi James Gilson, ince yapı sabitinin matematiksel olarak şu şekilde olabileceğini öne sürdü: büyük ölçüde doğruluk şu şekilde tanımlanır:

29 ve 137 sırasıyla 10. ve 33. sıradadır asal sayılar. 2002 verilerine kadar bu değer ölçüm hatası sınırları içerisindeydi. İÇİNDE şu anda deneysel verilerden 1,7 standart sapma kadar farklılık gösterir, bu da bu değeri mümkün kılar ancak olası değildir.

A. Olczak tarafından yazılan yakın tarihli bir makale, ince yapı sabitine Gilson formülünden daha kötü bir doğrulukla yaklaşan daha kompakt ve anlaşılır bir formül sunmaktadır. PTS'nin değeri, kaos dinamiğinin anahtarı olan Feigenbaum sabiti ile ilişkilidir. Bu sabit, en genel anlamda, çözümlerin doğrusal olmayan yaklaşımlara yaklaşma hızını karakterize eder. dinamik sistemler“her noktada istikrarsızlık” veya “dinamik kaos” durumuna. Bugüne kadar Feigenbaum sabitinin hesaplanan değeri (PTS'yi hesaplamak için gereken doğruluk dahilinde) .

PTS değeri basit bir denklemin kökü olarak çok doğru bir şekilde hesaplanır

ve yaklaşık olan miktar deneysel değer onuncu ondalık basamağa kadar. Anlaşmanın doğruluğu günümüz deneysel hatasının ~1,3 standart aralığıdır.

Modern kuantum elektrodinamiği açısından ince yapı sabitinin çalışan bir bağlanma sabiti olduğu, yani etkileşimin enerji ölçeğine bağlı olduğu da belirtilmelidir. Bu gerçek, iletilen herhangi bir spesifik (özellikle değerden bahsediyorsak sıfır) için numerolojik bir formül oluşturma girişimlerinin fiziksel anlamının çoğunu mahrum eder.

Ayrıca bakınız

Notlar

1. CODATA önerilen ince yapı sabiti değeri.
2. A. Somerfeld. Die Feinstruktur der Wasserstoff- und der Wasserstoff-ähnlichen Linien // Sitzungsberichte der Königl. Bayerischen Akademie der Wissenschaften zu Münih. - 1915. - S. 459-500.
3. A. Somerfeld. Zur Quantentheorie der Spektrallinien // Annalen der Physik. - 1916. - Cilt. 356(51). - S.1-94.
4. A. Somerfeld. Atomun yapısı ve spektrumları. - M.: Gostekhizdat, 1956. - T. 1. - S. 81.
5. , s. 403–404
6. , s. 427–430
7. J. A. Chalmers, B. Chalmers. Genişleyen evren-alternatif bir bakış // Felsefi Dergi Serisi 7. - 1935. - Cilt. 19. - S.436-446.
8. S. Sambursky. Statik Evren ve Bulutsu Kırmızıya Kayma // Fiziksel İnceleme. - 1937. - Cilt. 52. - S.335-338.
9. K. P. Stanyukovich. Yerçekimi sabitindeki olası değişiklikler // Sovyet Fiziği - Doklady. - 1963. - Cilt. 7. - S.1150-1152.
10. J. O"Hanlon, K.-K. Tam. Fiziğin Temel Sabitlerinin Zamana Göre Değişimi // Teorik Fiziğin İlerlemesi. - 1969. - Cilt. 41. - S.1596-1598.
11. P. A. M. Dirac. Kozmolojinin Yeni Bir Temeli // Proc. R. Soc. Londra. A. - 1938. - Cilt. 165. - S.199-208.
12. P. Jordan.Über die kosmologische Konstanz der Feinstrukturkonstanten // Zeitschrift für Physik. - 1939. - Cilt. 113. - S.660-662.
13. E. Teller. Fiziksel Sabitlerin Değişimi Üzerine // Fiziksel İnceleme. - 1948. - Cilt. 73. - S.801-802.
14. J. Brandmüller, E. Rüchardt. Die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante und das Problem der spektroskopischen Einheiten // Die Naturwissenschaften. - 1950. - Cilt. 37. - S.337-343.
15. R. Baggiolini. Atomik ve Evrensel Sabitler Arasında Dikkate Değer Bir İlişki Üzerine // Amerikan Fizik Dergisi. - 1957. - Cilt. 25. - S.324-325.
16. G. Gamow. Elektrik, Yerçekimi ve Kozmoloji // Fiziksel İnceleme Mektupları. - 1967. - Cilt. 19. - S.759-761.
17. F. J. Dyson. Proton Yükünün Zamana Göre Değişimi // Fiziksel İnceleme Mektupları. - 1967. - Cilt. 19. - S.1291-1293.
18. A.Peres. Temel Elektrik Yükünün Sabitliği // Fiziksel İnceleme Mektupları. - 1967. - Cilt. 19. - S.1293-1294.
19. J. N. Bahcall, M. Schmidt.İnce Yapı Sabiti Kozmik Zamanla Değişir mi? // Fiziksel İnceleme Mektupları. - 1967. - Cilt. 19. - S.1294-1295.
20. Ya. M. Kramarovsky, V. P. Chechev. Evren yaşlandıkça elektronun yükü değişir mi? // UFN. - 1970. - T. 102. - S. 141-148.
21. G. Gamow. Doğa Sabitlerinin Numerolojisi // PNAS. - 1968. - Cilt. 59. - S.313-318.
22. Yu.V.Petrov. Doğal nükleer reaktör Oklo // UFN. - 1977. - T. 123. - S. 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. QSO soğurma çizgilerinden değişken ince yapı sabiti için olası kanıtlar: motivasyonlar, analizler ve sonuçlar // . - 2001. - Cilt. 327. - S.1208-1222.
24. J. D. Barrow, H. B. Sandvik, J. Magueijo. Değişen alfa kozmolojilerinin davranışı // Fiziksel İnceleme D. - 2002. - Cilt. 65. - S.063504.
25. R. Srianand, H. Chand, P. Petitjean, B. Aracil. Uzak Kuasarların Tayfındaki Soğurma Çizgilerinden Alçak Enerji Limitindeki Elektromanyetik İnce Yapı Sabitinin Zaman Değişimindeki Sınırlar // Fiziksel İnceleme Mektupları. - 2004. - Cilt. 92. - S.121302.
26. H. Chand, R. Srianand, P. Petitjean, B. Aracil.İnce yapı sabitinin kozmolojik değişiminin araştırılması: VLT-UVES örneğine dayalı sonuçlar // Astronomi ve Astrofizik. - 2004. - Cilt. 417. - S.853-871.
27. Yeni Kuasar Çalışmaları Temel Fiziksel Sabiti Sabit Tutuyor // ESO Basın Bülteni, 31 Mart 2004
28. J.K. Webb, J.A. King, M.T. Murphy, V.V. Flambaum, R.F. Carswell, M.B. Bainbridge.İnce Yapı Sabitinin Uzamsal Değişiminin Göstergeleri // Fiziksel İnceleme Mektupları. - 2011. - Cilt. 107. - S.191101. Ayrıca bakınız .
29. J. C. Berengut, V. V. Flambaum, J. A. King, S. J. Curran, J. K. Webb. // Fiziksel İnceleme D. - 2011. - Cilt. 83. - S.123506. Ayrıca bakınız .
30. J. A. King, M. T. Murphy, W. Ubachs, J. K. Webb. Q0528-250'den proton-elektron kütle oranının kozmolojik değişimine ilişkin yeni kısıtlama // Kraliyet Astronomi Topluluğunun Aylık Bildirimleri. - 2011.
31. S. J. Curran, A. Tanna, F. E. Koch, J. C. Berengut, J. K. Webb, A. A. Stark, V. V. Flambaum. Nötr karbonun kırmızıya kayan milimetre altı geçişleriyle temel sabitlerin uzay-zaman değişiminin ölçülmesi // Astronomi ve Astrofizik. - 2011.
32. J. C. Berengut, V. V. Flambaum. Atomik ve nükleer saatlerde, Oklo'da, göktaşlarında ve kozmolojik olaylarda temel sabitlerin mekansal değişiminin tezahürleri // Eurofizik Mektupları. - 2012. - Cilt. 97. - S.20006.
33. J. D. Barrow. Kozmoloji, Yaşam ve Antropik İlke // Yıllıklar yeni York Bilimler Akademisi. - 2001. - Cilt. 950. - S.139-153.
34. G. N. Lewis ve E. Q. Adams. Nihai Rasyonel Birimler Teorisi; Temel Yük, Wirkungsquantum, Stefan Yasası Sabiti Arasındaki Sayısal İlişkiler // Fiziksel İnceleme. - 1914. - Cilt. 3. - S.92-102.
35. , s. 400–401
36. , s. 401–402
37. H. Stanley Allen. Elektronik ve Atomik Sabitler Arasındaki Sayısal İlişkiler // Londra Fizik Derneği Bildirileri. - 1914. - Cilt. 27. - S.425-431.
38. A. C. Lunn. Atomik Sabitler ve Boyutsal Değişmezler // Fiziksel İnceleme. - 1922. - Cilt. 20. - S.1-14.
39. , P. 406
40. J. Rice. Alanın Eddington'un doğal birimi ve onunla fiziğin evrensel sabitleri arasındaki olası ilişkiler üzerine // . - 1925. - Cilt. 49. - S.457-463.
41. J. Rice. Alanın Eddington doğal birimi hakkında // Felsefi Dergi Serisi 6. - 1925. - Cilt. 49. - S.1056-1057.
42. A. S. Eddington. Elektronun Yükü // Proc. R. Soc. Londra. A. - 1929. - Cilt. 122. - S.358-369.
43. A. S. Eddington. Elektrik Yüklerinin Etkileşimi // Proc. R. Soc. Londra. A. - 1930. - Cilt. 126. - S.696-728.
44. A. S. Eddington. Kozmik Sabitin Değeri Üzerine // Proc. R. Soc. Londra. A. - 1931. - Cilt. 133. - S.605-615.
45. A. S. Eddington. Elektrik Yükü Teorisi // Proc. R. Soc. Londra. A. - 1932. - Cilt. 138. - S.17-41.
46. R. T. Birge. Genel fiziksel sabitler: Ağustos 1941 itibarıyla yalnızca ışık hızına ilişkin ayrıntılarla birlikte // Fizikte İlerleme Raporları. - 1941. - Cilt. 8. - S.90-134.
47. , s. 411–415
48. , s. 416–418
49. , s. 419–422
50. V. Rojansky. Protonun Kütlesinin Elektronun Kütlesine Oranı // Doğa. - 1929. - Cilt. 123. - S.911-912.
51. E. E. Witmer. Proton, Elektron ve Helyum Çekirdeğinin Göreli Kütleleri // Doğa. - 1929. - Cilt. 124. - S.180-181.
52. W. Anderson.Über die Struktur der Lichtquanten // Zeitschrift für Physik. - 1929. - Cilt. 58. - S.841-857.
53. R. Furth.Über einen Zusammenhang zwischen nicemechanischer Unschärfe und Struktur der Elementarteilchen ve bir hierauf begründete Berechnung der Massen von Proton ve Elektron // Zeitschrift für Physik. - 1929. - Cilt. 57. - S.429-446.