Constanta Structura fină - este notată cu litera grecească „alfa» (α) - a fost introdus fizicianul german teoretic Arnold Sommerfeld în 1916 ani, inainte de aparitia mecanicii cuantice. In Sommerfeld, ea a apărut în calcule, care descrie divizarea dublet nivelelor de energie (și, prin urmare, liniile spectrale) ale unui model de hidrogen-Bohr al atomului din cauza efectelor relativiste. O astfel de divizare se numește structura fină a spectrului, de unde și numele constantei. Mai târziu sa dovedit că a fost cauzată de interacțiunea dintre momentele de orbital și de spin ale electronului, care în sine este un efect relativist.
In 1916, conceptul de spin nu exista, iar Sommerfeld a obținut rezultatele prin calcularea energiei electronului la cea mai apropiată pătratul raportul dintre viteza v liniară (care era încă determinată pur clasic) la lumina vitezei c. (v / c) 2. În aceste calcule, constanta structurii fine a intrat ca raportul dintre viteza electronului în orbita circulară inferioară și viteza luminii. În sistemul unitar CGSE, este scris folosind o formulă simplă:
Aici, e - sarcina unui electron, c - vitezei luminii, - (. = H / 2π unde h - constanta lui Planck privind magnitudinea puterii radiației electromagnetice cu frecvența sa.) Redus Planck constant, sau constanta Dirac. α este o cantitate fără dimensiuni, valoarea sa numerică este foarte apropiată de 1/137.
Sensul fizic al structurii fine se modifică radical după crearea electrodinamicii cuantice. În această teorie, particulele încărcate electric interacționează prin schimbul de fotoni virtuali. Conformă cu structura fină apare acolo ca un parametru fără dimensiuni care caracterizează intensitatea acestei interacțiuni.
Cel mai surprinzător, rolul "alpha" se manifestă atunci când se calculează diverse efecte utilizând diagramele Feynman. care servesc ca metodă de bază a calculelor aproximative în electrodinamica cuantică. Fiecare vârf al diagramei Feynman aduce la valoarea numerică a amplitudinii procesului calculat un factor egal cu rădăcina pătrată a alfa. Întrucât liniile interne apărute în calcule au două capete, adunarea fiecărei astfel de linii produce un factor proporțional cu alfa. Aceasta se datorează micului constante de structură fină în electrodinamica cuantică, care poate fi realizată prin calcule aproximative, descompunând cantitățile calculate în serii în puteri ale acesteia. Adevărat, calculul unor diagrame oferă infinit, dar în electrodinamica cuantică se poate scăpa de ele prin utilizarea așa-numitei renormalizări (cu toate acestea, acestea sunt deja detalii).
La sfârșitul anilor 1960, electrodinamica cuantică a fost generalizată sub forma unei teorii unificate a interacțiunilor electroweak. În această teorie, "alfa" crește proporțional cu logaritmul energiei caracteristice a procesului fizic și, prin urmare, nu mai este o constantă. Formula Sommerfeld corespunde valorii limitative a "alfa" la cele mai mici energii posibile ale interacțiunii electromagnetice. Deoarece cele mai ușoare particule cu încărcătură electrică sunt electroni și positroni, acest minim este atins la o energie egală cu masa unui electron înmulțită cu pătratul vitezei luminii. Potrivit unor ipoteze, alfa poate depinde de timp, dar acest lucru nu a fost încă dovedit.
După cum se știe, momentul magnetic al unui electron este proporțional cu produsul spinării sale de către magnetonul Bohr. Coeficientul de proporționalitate este de obicei indicat prin litera latină g. Conform teoriei electronilor relativistic formulată în 1928 de către Paul Dirac, g = 2. Această valoare este de două decenii au luat la sine înțeles, dar în 1948 Polycarp Kusch și Henry Foley a dovedit experimental că g este aproximativ egal cu 2.002. În același timp, unul dintre creatorii electrodynamicii cuantice, Julius Schwinger, a primit aceeași valoare teoretic. Quantum electrodinamică explica excesul de valoare g-factor de Dirac în care momentul magnetic este crescută prin nașterea particulelor virtuale și polarizarea în vid. Din cele mai g factorul experimental măsurat și a fost calculată pe baza ecuațiilor electrodinamicii cuantice, de fiecare dată rezultatele au coincis cu ce în ce mai mare precizie. În 1987, Hans Demelt și colegii săi au măsurat factorul g până la patru trilioane, pentru care Hans DeMelt a primit Premiul Nobel doi ani mai târziu.
Calculele lui Kinoshita și Nio ne-au permis să reprezentăm factorul g sub forma unei serii finite Taylor terminând pe un termen proporțional cu puterea a patra a constantei de structură fină α. Pentru verificarea experimentală a acestei valori, precizia rezultatelor grupului Demelta a fost inadecvată. Gabriel și membrii grupului său au măsurat factorul g folosind un instrument, pe care l-au numit un ciclotron cu un singur electron.
Acest dispozitiv a fost creat de Gabriels și Steven Pyle la sfârșitul ultimului deceniu și de atunci a fost îmbunătățit continuu. Este o cavitate mică de conducere în care un singur electron este blocat prin câmpuri electromagnetice variabile (de fapt, este o modificare a unui dispozitiv cunoscut de mult timp, numit capcana Penning). În timpul măsurării, se pornește un câmp magnetic orientat de-a lungul axei dispozitivului. Prezența acestui câmp face ca electronul să se miște într-o spirală cu frecvența ciclotronică fc și simultan să se preceadă în jurul vectorului de câmp cu frecvența fs.
Conform teoriei, factorul g depășește două cu o sumă egală cu (fs - fc) / fc. Numitorul și numitorul acestei fracții au fost determinate experimental. Aceste măsurători au necesitat un calcul extrem de precis al geometriei cavității interne a capcanei și răcirea acesteia la 0,1 K - toate acestea fiind necesare pentru a asigura stabilitatea orbitelor electronice, deoarece măsurătorile au fost efectuate timp de mai multe ore. Experienții chiar au trebuit să ia în considerare corecțiile relativiste, deși au fost extrem de mici din cauza energiei foarte scăzute a electronilor.
În cele din urmă, experimentul a dat o valoare de g / 2 = 1.00115965218085, cu o eroare posibilă care nu depășea 0.76 trilioane (adică, precizia grupului Demelta a fost îmbunătățită de șase ori). Această valoare a factorului g a făcut posibilă calcularea valorii alfa, care sa dovedit a fi egală cu 1 / 137,035999710, cu o eroare de ordinul 0,7 miliarde (o îmbunătățire de zece ori față de rezultatele anterioare).
O astfel de rafinare apreciabilă a valorii calculate a constantei structurii fine face posibilă dezvăluirea limitelor electrodinamicii cuantice. Se bazează pe presupunerea că electronul și poziția sunt particule de punct. Dacă, după cum afirmă unele ipoteze, electronul și poziția posterioară au o structură internă, aceasta trebuie să afecteze valoarea alfa. (Adevărat, constanta structurii fine include și adăugări foarte mici datorită interacțiunilor puternice și slabe, dar fizicienii din grupul Gabriels consideră că vor fi luați în considerare).
Acum, fizicienii vor din nou cât mai aproape posibil de a măsura constanta structurii fine în alte moduri (este făcută, de exemplu, prin astfel de fenomene în stare solidă, cum ar fi efectul Josephson și efectul cuantic Hall, precum și prin împrăștierea de fotoni de atomi de rubidiu) și compară rezultatele obținute cu grupul Gabrielsa evaluare . Cine știe ce se va întâmpla?