У математичних виразах, що описують основні властивості матерії і закони природи, завжди присутні деякі постійні коефіцієнти універсального характеру – фундаментальні фізичні константи. Вони виражають граничні значення найважливіших величин, визначені емпірично, і задають природний масштаб математичного опису фізичних процесів. До таких коефіцієнтів належать, наприклад, постійна Планка, елементарний електричний заряд або швидкість світла.
Існують також постійні величини безрозмірні. Яку б систему одиниць ми не вибрали, чисельне значення їх залишається незмінним. Однією з таких констант є постійна тонкої структури, що виражає міру інтенсивності електромагнітного взаємодії.
Математичне визначення
Ця константа, що позначається грецькою буквою «альфа», в вигляді співвідношення поєднує в собі кілька фундаментальних постійних. В різних системах одиниць вона визначається по-різному, але завжди має одне і те ж чисельне значення.
В системі СІ формула для постійної тонкої структури виглядає наступним чином: α = e2/2ε0hc. Тут e – елементарна кількість електрики (заряд електрона), ε0 – електрична постійна, h – постійна Планка і c – швидкість світла у вакуумі.
В системі СГСЕ ε0 =1, і константа визначається за формулою α = e2/ ħc, де ħ – приведена постійна Планка (ħ = h/2π).
Чисельно постійна тонкої структури дорівнює приблизно 1/137, значення її постійно уточнюється. В даний час воно обчислено з точністю до мільярдної і одно 1/137,035999710.
Історія запровадження нової константи
У 1916 році, задовго до оформлення теоретичних основ квантової механіки, німецький фізик А.с Зоммерфельд працював з борівський моделлю атома. В рамках цієї моделі вчений шукав пояснення появи в атомних спектрах так званої тонкої структури – розщеплення спектральних ліній (тобто енергетичних рівнів електронів).
Зоммерфельд припустив, що тонка структура виникає як прояв релятивістських ефектів руху електрона. При розрахунках він отримав безрозмірну величину, близьку до 1/137, що відображає відношення швидкості електрона, що перебуває на самій нижній орбіті (модель Бора ще оперувала поняттям «орбіта» для електронів), до швидкості світла. Тому іноді константу «альфа» називають також постійної Зоммерфельда, в честь вченого, який ввів її у фізичну науку.
Пояснення тонкої структури спектру
Розвиток уявлень про постійної тонкої структури пов’язано з подальшим прогресом квантової фізики, зокрема з поняттям спина – власного моменту імпульсу частинки. З’ясувалося, що тонке розщеплення спектральних ліній обумовлено не тільки релятивистским рухом електрона в атомі, але і взаємодією його спінового моменту з орбітальним. В залежності від орієнтації спіну воно може описуватися як векторної сумою, так і різницею, в результаті чого і виникають малі відмінності в значеннях енергії, що призводять до розщеплення лінії в спектрі.
Що стосується константи «альфа», то вона (точніше її квадрат) входить в якості коефіцієнта рівняння спін-орбітального взаємодії, дає поправку до енергії атомного електрона. Іншими словами, ця постійна визначає розмір тонкого розщеплення ліній спектра. Однак це мало прояснює її фізичну природу.
Константа зв’язку
Фізичний зміст постійної тонкої структури виявляє квантова теорія поля. Ця величина відноситься до так званих констант зв’язку – заходів інтенсивності взаємодії. Інакше кажучи, вона характеризує ймовірність акту взаємодії, який квантова електродинаміка трактує як випущення (поглинання) зарядженою частинкою – приміром, електроном – віртуального кванта електромагнітного поля (фотони). Ці фотони і формують електричне поле частинки, з допомогою якого вона «спілкується» з іншими побратимами, що мають електричний заряд.
Таким чином, «альфа» керує силою, з якою заряджені частинки взаємодіють один з одним, наприклад, силою відштовхування електронів або силою їх тяжіння ядром, що в свою чергу визначає розмір атома, швидкість електронів в ньому і просторове розташування електронних хмар.
Тим не менш у сучасну теорію елементарних частинок, не надто вдало називають «Стандартною моделлю», постійна тонкої структури поряд з низкою інших світових констант включена в якості зовнішнього параметра. Теорія приймає цю комбінацію емпірично отриманих найважливіших величин як даність: їх чисельне значення не з чого не випливає, просто воно таке, як є. Деякі сучасні теоретичні побудови, такі як хаотична теорія інфляції і теорія струн, дозволяють припустити, що набір фундаментальних постійних реалізувався в нашій Всесвіту випадковим чином. Вони допускають і навіть вимагають існування безлічі інших всесвітів з іншими наборами символів.
Питання про сталість «альфи»
Наша Всесвіт пройшла у своїй еволюції кілька етапів. Згідно ряду фізичних теорій, зміна цих фаз розвитку повинна була супроводжуватися зміною значення світових постійних, в тому числі і константи тонкої структури. Крім того, ці значення можуть відрізнятися у віддалених областях Всесвіту (які в ранні епохи були ближче). Для фізиків дуже важливо знати, еволюціонують фундаментальні постійні, і якщо так, то як саме.
Отримати відповіді на ці питання можливо за допомогою спостереження наддалеких об’єктів космосу, наприклад квазарів. Так, в 2010 році з’явилися повідомлення про результати спостережень, вказують на те, що «альфа», можливо, в одних областях зросла, а в інших зменшилася з часів, віддалених від сучасності на 10 мільярдів років. Однак остаточні висновки по цим результатам робити поки рано.
На початку 2018 року були опубліковані дані вивчення галактики, яку відділяють від нас 2,94 мільярда світлових років. Вони свідчать, що у протягом відповідного відтинку часу постійна тонкої структури не зазнала змін. Так що, якщо вона поряд з іншими основними параметрами нашого світу і еволюціонувала, то відбувалося це, швидше за все, на самих ранніх етапах існування Всесвіту. Подальші дослідження, без сумніву, проллють світло на це цікаве питання.
