Stała struktury subtelnej


Stała struktury subtelnej w encyklopedii

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Stała struktury subtelnej (zwana też stałą Sommerfelda) (oznaczenie: α {\displaystyle \alpha } ) – podstawowa stała fizyczna charakteryzująca siłę oddziaływań elektromagnetycznych. Została formalnie wprowadzona przez Arnolda Sommerfelda w 1916 roku[1][2]. Jest wielkością bezwymiarową, więc jej wartość nie zależy od przyjętego systemu jednostek. Stała struktury subtelnej to kombinacja trzech fundamentalnych stałych przyrody: stałej Plancka (h), prędkości światła (c) i ładunku elektronu (e). Stała α {\displaystyle \alpha } określa relatywistyczne (c) i kwantowe (h) własności oddziaływań cząstek naładowanych elektrycznie (e) w próżni ( ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} ).

Popiersie Sommerfelda na Uniwersytecie Ludwika i Maksymiliana (LMU), Theresienstr. 37, Monachium, Niemcy. Poniżej znajduje się wzór na stałą Sommerfelda zapisany w układzie pomiarowym Gaussa (CGS), który jest powszechnie stosowany w fizyce teoretycznej.

Definicja stałej struktury subtelnej opublikowana przez Komitet Danych dla Nauki i Techniki (CODATA) w 2018 roku wynosi[3][4]:

α = e 2 c   4 π ε 0 = 7,297 3525693 ( 11 ) × 10 3 = 1 137 , 035 999 084 ( 21 ) . {\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c\ 4\pi \varepsilon _{0}}}=7{,}2973525693(11)\times 10^{-3}={\frac {1}{137,035\,999\,084(21)}}.}

gdzie:

e {\displaystyle e} ładunek elektryczny elementarny, = h 2 π , {\displaystyle \hslash ={\frac {h}{2\pi }},} gdzie h {\displaystyle h} stała Plancka, c {\displaystyle c} prędkość światła w próżni, ε 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}} przenikalność elektryczna próżni.

W systemie CGS, w którym przenikalność elektryczna próżni jest bezwymiarową stałą, definicja przyjmuje postać:

α = e 2 c , {\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c}},}

a w układzie jednostek naturalnych:

α = e 2 4 π . {\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{4\pi }}.}

Często spotykane jest przybliżenie α 1 / 137. {\displaystyle \alpha \approx 1/137.}

Dotychczas nie powstała żadna powszechnie zaakceptowana teoria, wyjaśniająca dlaczego stała struktury ma taką wartość[5].

Zachodzi także bardzo dokładny zwiazek wyrażający niezwyklą słabość oddziaływań grawitacyjnych względem elektromagnetycznych:

G = 4 3 2 38 c m e 2 α 21 , {\displaystyle G={\frac {4}{3{\sqrt[{38}]{2}}}}{\frac {\hbar c}{m_{e}^{2}}}\alpha ^{21},}

gdzie G {\displaystyle G} to stała grawitacji a m e {\displaystyle m_{e}} jest masą elektronu.

Mimo jej fundamentalnego charakteru niektórzy teoretycy sugerują, że nieznacznie zmienia się ona w miarę ewolucji Wszechświata. Przeprowadzone w ciągu kilku ostatnich lat przez grupę australijskich astronomów obserwacje odległych obiektów wskazywały, że stała struktury subtelnej zmieniła swoją wartość o około jedną stutysięczną od początku istnienia Wszechświata, co wywołało dyskusje na temat niezmienności stałych fizycznych. Najnowsze obserwacje wykazały, że mogła ona się zmienić nie więcej niż o jedną trzydziestotysięczną.

Badania prowadzone w akceleratorze LEP wskazują, że przy wysokich energiach efektywna stała struktury subtelnej zwiększa się z ok. 1/137 w dużej odległości do ok. 1/128 w odległości odpowiadającej energii równej masie cząstki Z; mówi się wtedy o biegnącej stałej sprzężenia (wartość „biegnie” wraz z energią)[6]. Efekt ten wywołany jest przez ekranowanie ładunku przez próżnię.

Zobacz też | edytuj kod

Przypisy | edytuj kod

  1. Arnold Sommerfeld. Die Feinstruktur der Wasserstoff- und der Wasserstoff-ähnlichen Linien. „Sitzungsberichte der Königl. Bayerischen Akademie der Wissenschaften zu München”, s. 459-500, 1915. 
  2. A.A. Sommerfeld. A.A., Zur Quantentheorie der Spektrallinien, „Annalen der Physik”, 356 (51), 1916, 1—94, DOI10.1002/andp.19163561702 .
  3. CODATA Value: fine-structure constant, physics.nist.gov [dostęp 2020-12-04] .
  4. CODATA Value: inverse fine-structure constant, physics.nist.gov [dostęp 2020-12-04] .
  5. George Gamow: Biografia fizyki. Barbara Wojtowicz-Natanson (tłum). Warszawa: Wiedza Powszechna, 1967, s. 334. OCLC 878933859.
  6. L3 Collaboration. Measurement of the Running of the Fine-Structure Constant. „[arXiv.org/hep-ex] Phys.Lett.B”. 476, s. 40–48, 14 Feb 2000. DOI: 10.1016/S0370-2693(00)00122-2. arXiv:hep-ex/0002035 (ang.). 
Na podstawie artykułu: "Stała struktury subtelnej" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy