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问爱善:什么是精细结构常数和为什么它很重要呢？

2019-05-26 10:54阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2614811577

问爱善: 什么是精细结构常数和为什么它很重要呢？
资深撰稿人 Ethan Siegel
 资深撰稿人 Starts With A Bang小组
May 25, 2019, 02:00am
问爱善:什么是精细结构常数和为什么它很重要呢？
从一声爆炸开始
宇宙就在那里,等待着你去发现它。
问爱善:什么是精细结构常数和为什么它很重要呢？

每个轨道 (红色)、每个 p 轨道 (黄色)、d 轨道 (蓝色) 和 f 轨道 (绿色)只能包含两个分开的电子: 每一个一个自旋向上一个自旋向下。自旋移动接近光速的影响以及固有的渗透宇宙的量子场波动性质都对物质展示的精细结构负责的。 LIBRETEXTS LIBRARY / NSF / UC DAVIS
为什么我们的宇宙是它这种样子而不是其它的方式呢？只有三件事能使它做到这一点: 自然法则本身、规制现实的基本常数以及我们宇宙诞生就有的初始条件。如果基本常数有过实在的不同值, 就不可能形成甚至像原子、分子、行星或恒星这样简单的结构。然而, 在我们的宇宙中,这些常量有它们做的的明确的值, 而那个特定的组合产生我们所居住的生命友好的宇宙。其中一个基本常数被称为精细结构常数,桑德拉罗斯佛克想知道所有关于它的, 问:
你能愉快的尽可能简单的解释这个精细结构常数吗？
让我们从一开始开始: 从构成宇宙的简单物质构建块开始。
问爱善:什么是精细结构常数和为什么它很重要呢？
随它的伴随场一起建模的质子的结构,, 显示即使它是由点状夸克和胶子组成的它怎样有一个有限的、实在的大小, 这源自于它内部量子力和场的相互作用。质子本身是一个复合体, 而不是基本的量子粒子。不过, 它里面的夸克和胶子, 以及围绕原子核运行的电子被认为是真正的基本的和不可分割的。BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY
我们的宇宙, 如果我们把它分解成最小的组成部分是由标准模型的粒子组成的。这些粒子的两种类型的夸克和胶子结合在一起来形成如质子和中子一样的约束状态，它们本身结合在一起成原子核。是另一种基本粒子的电子是最轻的带电的轻子。当电子和原子核结合在一起时, 它们形成原子: 构成我们日常体验的一切的正常物质的构建块。
在人类甚至认识到原子是怎样被构造的之前, 我们已经确定了它们的许多属性。在 19世纪, 我们发现原子核的电荷决定一个原子的化学属性, 并发现了每个原子都有它自己独特的它可以发射和吸收的光线线谱。从实验上讲, 一个离散的量子宇宙的证据早在理论家把这一切放在一起之前就已经知道了。
问爱善:什么是精细结构常数和为什么它很重要呢？
太阳的可见光光谱, 不仅帮助我们了解它的温度和电离, 而且帮助我们了解存在的元素的丰度。长而粗的线是氢和氦, 但其它每一条线都来自一个重元素。这里显示的许多吸收线彼此非常接近, 显示精细结构的证据, 这能把两个衰变的能量水平分裂成紧密间隔的但明显不同的能量水平。 NIGEL SHARP, NOAO / NATIONAL SOLAR OBSERVATORY AT KITT PEAK / AURA / NSF
1912年, 尼尔斯·玻尔提出了他现在著名的原子模型, 其中电子像行星环绕着太阳一样绕着原子核运行。不过, 玻尔模型和我们的太阳系之间的最大区别在于原子只允许有某些特定的状态, 而行星可以以任何速度和半径的组合运行, 从而导致一个稳定的轨道。
玻尔认识到电子和原子核都很小, 有相反的电荷, 并知道了原子核实际上有所有的质量。他的突破性贡献是理解电子只能占据一定的能量水平, 这他称之为 '原子轨道'。电子只能以特定的特性绕原子核运行, 导致每个单独原子的吸收和发射线特征。
问爱善:什么是精细结构常数和为什么它很重要呢？
当自由电子与氢核重组时, 电子会级联到能级上, 随它们走发射光子。为了在早期宇宙中形成稳定的中性原子, 它们必须到达基态,不会产生一个潜在的电离的 紫外线光子。原子的玻尔模型提供能量水平的轨迹(或粗糙或毛的) 结构, 但这已经不足以描述几十年前所看到的东西。 BRIGHTERORANGE & ENOCH LAU/WIKIMDIA COMMONS
尽管这个模型像它是的一样精彩而聪明立即的未能再现来自19世纪几十年老的实验结果。一路回到1887年, 米歇尔森和莫利已经确定了氢的原子发射和吸收特性, 他们与玻尔原子的预测并不完全相符。
同一的确定了不管光速相对地球的运动是移动的、反的或垂直的光速没有差别的科学家也比以往任何人从来都更精确的测量了氢的光谱线。虽然玻尔模型更接近, 但米歇尔森和莫利的研究结果显示了与玻尔的预测略有不同但意义重大的小的移变和额外的能量状态。特别是, 有一些能量水平似乎分为两个, 而玻尔的模型只预测了一个。
问爱善:什么是精细结构常数和为什么它很重要呢？
在玻尔的氢原子模型中, 只有点状电子的轨道角动量对能级有贡献。加入相对论效应和自旋效应不仅会导致这些能级的一个变化, 还会造成降级水平分裂为多个状态,揭示玻尔预测的粗结构之上物质的精细结构。 RÉGIS LACHAUME AND PIETER KUIPER / PUBLIC DOMAIN
这些额外的能量水平彼此非常接近并也接近玻尔的预测, 是我们现在叫的原子精细结构的第一个证据。玻尔的模型将电子简单的建模为带电的、以远远低于光速的速度无自旋的绕着原子核运行的粒子, 它成功的解释了原子的粗糙结构, 但没有解释这种额外的精细结构。
这将需要另一个进步, 这发生在 1916年, 当时物理学家阿诺尔德索莫菲尔德有过一个认识。如果你像玻尔那样模型一个氢原子, 但采纳了一个基态电子的速度比并把它与光速进行比较, 你会得到一个非常特别的值, 索莫菲尔德称之为α: 精细结构常数。这个常数, 一旦你恰当的折叠进玻尔方程, 就能够精确的解释粗糙结构和精细结构预测之间的能量差异。
问爱善:什么是精细结构常数和为什么它很重要呢？
正如这里所示, 超冷的氘源并不简单的显示离散的水平, 而是边缘到标准构造/破坏性干扰模式之上。这种额外的边缘效应是一个物质的精细结构的结果。 JOHNWALTON / WIKIMEDIA COMMONS
就当时已知的其它常数而言, α = e2/4πε0ħc, 其中:
· e 是电子的电荷,
· ε0是自由空间介电常数的电磁常数,
· ħ 是普朗克常数,
· c 是光速。
与这些它们都有一个与它们相关的单位的常量不同的是,α是一个真正无量纲的常数, 这意味着它只是一个纯的数字, 根本没有与之相关的单位。虽然如果以米/秒、每年英尺、每小时英里或任何其它单位来测量光速可能会有所不同, 但α总是具有相同的值。正因为这个原因, 它被认为是描述我们宇宙的基本常数之一。
问爱善:什么是精细结构常数和为什么它很重要呢？
与氢原子内的不同状态相对应的能级和电子波函数, 尽管所有原子的构型都极为相似。能量水平是以普朗克常数的倍数量子化的, 但轨道和原子的大小是由基态能量和电子质量决定的。额外的影响可能是微妙的, 但移变能量摆平可测量的、可量化的时尚。POORLENO OF WIKIMEDIA COMMONS
如果不考虑这些精细的结构效应就不能很好的说明原子的能级, 在玻尔10年后当薛定鄂方程出现在这个场景时这个事实又重新出现了。正如玻尔模型未能正确再现氢原子的能级一样, 薛定鄂方程也是如此。很快就发现造成这种情况的原因有三个。
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