In der Physik ist die Feinstruktur unveränderlich (hat gewöhnlich α, das griechische Brief-Alpha angezeigt), eine grundsätzliche physische Konstante, nämlich die Kopplungskonstante, die die Kraft der elektromagnetischen Wechselwirkung charakterisiert. Eine ohne Dimension Menge seiend, hat es unveränderlichen numerischen Wert in allen Systemen von Einheiten. Arnold Sommerfeld hat die 1916 unveränderliche Feinstruktur eingeführt.

Der Strom hat empfohlen, dass der Wert von α ist

Definition

Drei gleichwertige Definitionen von α in Bezug auf andere grundsätzliche physische Konstanten sind:

wo:

• e ist die elementare Anklage;
• ħ = ist h/2π der reduzierte unveränderliche Planck;
• c ist die Geschwindigkeit des Lichtes im Vakuum;
• ε ist die elektrische Konstante oder permittivity des freien Raums;
• oder µ ist die magnetische Konstante oder Durchdringbarkeit des freien Raums;
• oder k ist die unveränderliche Ampere-Sekunde.

In elektrostatischen cgs Einheiten wird die Einheit der elektrischen Anklage, des statcoulomb, definiert, so dass die Ampere-Sekunde unveränderlich, k, oder der permittivity Faktor, 4πε, 1 und ohne Dimension ist. Dann wird der Ausdruck der unveränderlichen Feinstruktur der abgekürzte

ein Ausdruck, der allgemein in der Physik-Literatur erscheint.

Maß

Der 2010-CODATA hat empfohlen, dass der Wert von α ist

Das hat eine Verhältnisstandardunklarheit von 0.32 Teilen pro Milliarde

Während der Wert von α von den Werten der Konstanten geschätzt werden kann, die in einigen seiner Definitionen erscheinen, stellt die Theorie der Quant-Elektrodynamik (QED) eine Weise zur Verfügung, α direkt mit der Quant-Saal-Wirkung oder der anomale magnetische Moment des Elektrons zu messen. Die Theorie dessen sagt QED eine Beziehung zwischen dem ohne Dimension magnetischen Moment des Elektrons voraus, und die Feinstruktur unveränderlicher α (wird der magnetische Moment des Elektrons auch "G-Faktor von Landé" und symbolisiert als g genannt). Der genauste Wert von α erhalten experimentell durch die Gegenwart basiert auf einem neuen Maß von g das Verwenden eines" Zyklotrons Quants "so genannten Ein-Elektron-Apparats, zusammen mit einer Berechnung über die Theorie QED, die 891 Vier-Schleifen-Diagramme von Feynman eingeschlossen hat:

Dieses Maß von α hat eine Präzision von 0.37 Teilen pro Milliarde. Dieser Wert und Unklarheit sind über dasselbe als die letzten experimentellen Ergebnisse.

Falscher 2006 hat Wert empfohlen

Gemäß 2006 CODATA war der empfohlene Wert für α 7.2973525376 (50) x 10 = 1/137.035999679 (94). Jedoch, nachdem die CODATA 2006-Anpassung vollendet wurde, wurde ein Fehler in einem der Hauptdateneingänge entdeckt. Dennoch wurde der 2006-CODATA empfohlen Wert 2008 neu veröffentlicht. Ein revidierter Vergleichswert, neue Forschung und Anpassungen an SI-Einheiten in die Rechnung bringend, wurde im Juni 2011 veröffentlicht.

Physische Interpretationen

Die Feinstruktur unveränderlicher α hat mehrere physische Interpretationen. α ist:

• Das Quadrat des Verhältnisses der elementaren Anklage dem Planck belädt

• Das Verhältnis von zwei Energien: (i) die Energie musste die elektrostatische Repulsion zwischen zwei Elektronen eine Entfernung von d einzeln, und (ii) die Energie eines einzelnen Fotons der Wellenlänge überwinden (von einer modernen Perspektive, der winkeligen Wellenlänge r = d; sieh Beziehung von Planck):

• Das Verhältnis der Geschwindigkeit des Elektrons im Modell von Bohr des Atoms zur Geschwindigkeit des Lichtes. Folglich ist das Quadrat von α das Verhältnis zwischen der Energie von Hartree und der Elektronrest-Masse (511 keV).
• Das Verhältnis von drei charakteristischen Längen: der klassische Elektronradius, der Radius von Bohr und die Wellenlänge von Compton des Elektrons:

• In der Quant-Elektrodynamik ist α die Kopplungskonstante, die die Kraft der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Fotonen bestimmt. Die Theorie sagt seinen Wert nicht voraus. Deshalb muss α experimentell bestimmt werden. Tatsächlich ist α einer der ungefähr 20 empirischen Rahmen im Standardmodell der Partikel-Physik, deren Wert innerhalb des Standardmodells nicht bestimmt wird.
• In der electroweak Theorie, die die schwache Wechselwirkung mit dem Elektromagnetismus vereinigt, wird α mit zwei anderen mit den Electroweak-Maß-Feldern vereinigten Kopplungskonstanten vereinigt. In dieser Theorie wird die elektromagnetische Wechselwirkung als eine Mischung von mit den electroweak Feldern vereinigten Wechselwirkungen behandelt. Die Kraft der elektromagnetischen Wechselwirkung ändert sich mit der Kraft des Energiefeldes.
• In Anbetracht zwei hypothetischer Punkt-Partikeln jeder von Planck ist elementare und Massenanklage, die durch jede Länge, α getrennt ist, das Verhältnis ihrer elektrostatischen abstoßenden Kraft zu ihrer attraktiven Gravitationskraft.
• In den Feldern der Elektrotechnik und Halbleiterphysik, des Verhältnisses des elektromagnetischen Scheinwiderstands des freien Raums, 1 / (c ε) ≈ 377 Ω, zum Quant des Widerstands, h/e ≈ 25.8 KΩ, ist 2α.

Wenn Unruhe-Theorie auf die Quant-Elektrodynamik angewandt wird, werden die resultierenden perturbative Vergrößerungen für physische Ergebnisse als Sätze der Macht-Reihe in α ausgedrückt. Weil α viel weniger als ein ist, sind höhere Mächte von α bald unwichtig, die Unruhe-Theorie äußerst praktisch in diesem Fall machend. Andererseits macht der große Wert der entsprechenden Faktoren im Quant chromodynamics Berechnungen, die mit der starken äußerst schwierigen Kernkraft verbunden sind.

Gemäß der Theorie der Wiedernormalisierungsgruppe wächst der Wert der Feinstruktur unveränderlich (die Kraft der elektromagnetischen Wechselwirkung) logarithmisch, weil die Energieskala vergrößert wird. Der beobachtete Wert von α wird mit der Energieskala der Elektronmasse vereinigt; das Elektron ist ein für diese Energieskala gebundener niedrigerer, weil es (und der Positron) der leichteste beladene Gegenstand ist, dessen Quant-Schleifen zum Laufen beitragen können. Deshalb ist 1/137.036 der Wert der an der Nullenergie unveränderlichen Feinstruktur. Außerdem, als die Energieskala, die Kraft der elektromagnetischen Wechselwirkungsannäherungen dass der anderen zwei grundsätzlichen Wechselwirkungen, eine für großartige Vereinigungstheorien wichtige Tatsache zunimmt. Wenn Quant-Elektrodynamik eine genaue Theorie wäre, würde die unveränderliche Feinstruktur wirklich an einer als der Pol von Landau bekannten Energie abweichen. Diese Tatsache macht Quant-Elektrodynamik inkonsequent außer den perturbative Vergrößerungen.

Es wurde kürzlich ein anderes Eigentum der unveränderlichen Feinstruktur entdeckt: Ordnen Sie eindimensionale chaotische Dynamik Verhulst-Ricker-Planck ein

Geschichte

Arnold Sommerfeld hat die Feinstruktur unveränderlich 1916 als ein Teil seiner Theorie der relativistischen Abweichungen von geisterhaften Atomlinien von den Vorhersagen des Modells von Bohr eingeführt. Die erste physische Interpretation der Feinstruktur unveränderlicher α war als das Verhältnis der Geschwindigkeit des Elektrons in der ersten kreisförmigen Bahn des relativistischen Atoms von Bohr zur Geschwindigkeit des Lichtes im Vakuum. Gleichwertig war es der Quotient zwischen dem maximalen winkeligen Schwung, der durch die Relativität für eine geschlossene Bahn erlaubt ist, und der minimale winkelige Schwung hat es durch die Quant-Mechanik berücksichtigt. Es erscheint natürlich in der Analyse von Sommerfeld, und bestimmt die Größe des Aufspaltens oder Feinstruktur der hydrogenic geisterhaften Linien.

Die Feinstruktur unveränderlich so gefesselter Physiker Wolfgang Pauli, dass er mit dem Psychologen Carl Jung auf einer außergewöhnlichen Suche zusammengearbeitet hat, um seine Bedeutung zu verstehen.

Ist die Feinstruktur wirklich unveränderlich unveränderlich?

Während, wie man bekannt, sich die Feinstruktur 1/128 an Wechselwirkungsenergien über 80 GeV, nähert

Physiker haben viele Jahre lang gegrübelt, ob die unveränderliche Feinstruktur tatsächlich unveränderlich ist, d. h., ob sich sein Wert durch die Position und mit der Zeit unterscheidet. Spezifisch ist ein Verändern α als eine Weise vorgeschlagen worden, Probleme in der Kosmologie und Astrophysik zu beheben. Mehr kürzlich ist das theoretische Interesse an unterschiedlichen Konstanten (nicht nur α) durch die Schnur-Theorie und andere solche Vorschläge motiviert worden, für das Standardmodell der Partikel-Physik zu übertreffen. Die ersten experimentellen Tests dieser Frage haben die geisterhaften Linien von entfernten astronomischen Gegenständen und die Produkte des radioaktiven Zerfalls in Oklo natürlicher Atomspaltungsreaktor untersucht. Die Ergebnisse haben ohne Änderung entsprochen.

Mehr kürzlich hat verbesserte Technologie es möglich gemacht, den Wert von α in viel größeren Entfernungen und zu einer viel größeren Genauigkeit zu untersuchen. 1999 hat eine Mannschaft, die von John K. Webb von der Universität von New South Wales geführt ist, die erste Entdeckung einer Schwankung in α gefordert. Das Verwenden der Fernrohre von Keck und einer Datei von 128 Quasaren an Rotverschiebungen 0.5

2004, eine kleinere Studie von 23 Absorptionssystemen durch Chand u. a., mit dem Sehr Großen Fernrohr, hat keine measureable Schwankung gefunden:

Jedoch 2007 wurden einfache Fehler in der Analyse-Methode von Chand identifiziert u. a. das Diskreditieren jener Ergebnisse. Dennoch sind systematische Unklarheiten schwierig zu messen und so der Webb u. a. Ergebnisse müssen noch durch die unabhängige Analyse mit Quasar-Spektren von verschiedenen Fernrohren überprüft werden.

König u. a. haben Kette von Markov Methoden von Monte Carlo verwendet, den von der UNSW Gruppe verwendeten Algorithmus zu untersuchen, um von den Quasar-Spektren zu bestimmen und haben gefunden, dass der Algorithmus scheint, richtige Unklarheiten und maximale Wahrscheinlichkeitsschätzungen für für besondere Modelle zu erzeugen. Das weist darauf hin, dass die statistischen Unklarheiten und am besten für den festgesetzten durch Webb schätzen u. a. und Murphy u. a. sind robust.

Lamoreaux und Torgerson haben Daten von Oklo natürlicher Atomspaltungsreaktor 2004 analysiert und haben beschlossen, dass sich α in den letzten 2 Milliarden Jahren um 4.5 Teile darin geändert hat. Sie haben behauptet, dass diese Entdeckung wahrscheinlich zu innerhalb von 20 % "genau war." Genauigkeit ist von Schätzungen von Unreinheiten und Temperatur im natürlichen Reaktor abhängig. Diese Beschlüsse müssen nachgeprüft werden.

2007 haben Khatri und Wandelt der Universität Illinois an Urbana-Champaign begriffen, dass der hyperfeine 21-Cm-Übergang in neutralem Wasserstoff des frühen Weltalls einen einzigartigen Absorptionslinienabdruck in der kosmischen Mikrowellenhintergrundradiation verlässt. Sie haben vorgehabt, diese Wirkung zu verwenden, den Wert von α während des Zeitalters vor der Bildung der ersten Sterne zu messen. Im Prinzip gibt diese Technik genug Auskunft, um eine Schwankung von 1 Teil in (4 Größenordnungen besser zu messen, als die aktuellen Quasar-Einschränkungen). Jedoch ist die Einschränkung, die auf α gelegt werden kann, auf die wirksame Integrationszeit stark abhängig, als t gehend. Das europäische LOFAR Radiofernrohr würde nur im Stande sein, Δα/α zu ungefähr 0.3 % zu beschränken. Das sich versammelnde Gebiet, das erforderlich ist, Δα/α zum aktuellen Niveau von Quasar-Einschränkungen zu beschränken, ist auf der Ordnung von 100 Quadratkilometern, die zurzeit wirtschaftlich undurchführbar ist.

2008 hat Rosenband. das Frequenzverhältnis und im einzelnen Ion optische Atomuhren verwendet, um eine sehr strenge Einschränkung auf die Gegenwart-Schwankung von α, nämlich Δα /α = pro Jahr zu legen. Bemerken Sie, dass jede gegenwärtige ungültige Einschränkung auf die Zeitschwankung des Alphas über Endzeit-Schwankung in der Vergangenheit nicht notwendigerweise herrscht. Tatsächlich sagen einige Theorien, die eine variable Feinstruktur unveränderlich auch voraussagen, voraus, dass der Wert der unveränderlichen Feinstruktur praktisch fest in seinem Wert werden sollte, sobald das Weltall in sein aktuelles dunkles energiebeherrschtes Zeitalter eingeht.

Im September 2010 haben Forscher von Australien gesagt, dass sie eine dipolähnliche Struktur in der über das erkennbare Weltall unveränderlichen Feinstruktur mit Daten auf Quasaren identifiziert hatten, die durch das Sehr Große Fernrohr erhalten sind, das mit den vorherigen Daten verbunden ist, die von Webb an den Fernrohren von Keck erhalten sind. Die unveränderliche Feinstruktur scheint, durch einen Teil in 100,000 in der Richtung auf die südliche Halbkugel-Konstellation Ara vor 10 Milliarden Jahren größer gewesen zu sein. Ähnlich ist die Konstante geschienen, durch einen ähnlichen Bruchteil in der nördlichen Richtung vor Milliarden von Jahre kleiner gewesen zu sein.

Im September und hat Oktober 2010, nach der veröffentlichten Forschung von Webb, Physikern Chad Orzel und Sean M. Carroll verschiedene Annäherungen dessen angedeutet, wie die Beobachtungen von Webb falsch sein können. Orzel behauptet, dass die Studie falsche Daten wegen feiner Unterschiede in den zwei Fernrohren enthalten kann, in dem der Fernrohre die Datei ein bisschen hoch war und auf dem anderen ein bisschen niedrig, so dass sie einander annullieren, als sie überlappt haben. Er findet es misstrauisch, dass die Dreiecke im geplanten Graphen der Quasare (Dreiecke so gut ausgerichtet werden, die 3-Omegas-von den Daten seiend). Andererseits hat Carroll eine völlig verschiedene Annäherung vorgeschlagen, er schaut auf die Feinstruktur unveränderlich als ein Skalarfeld und behauptet, dass, wenn die Fernrohre richtig sind und sich die unveränderliche Feinstruktur glatt über das Weltall ändert, dann muss das Skalarfeld eine sehr kleine Masse haben. Jedoch hat vorherige Forschung gezeigt, dass die Masse wahrscheinlich nicht äußerst klein sein wird. Beide der frühen Kritiken dieser Wissenschaftler weisen zur Tatsache hin, dass verschiedene Techniken erforderlich sind, um die Ergebnisse als Webb zu bestätigen oder ihnen zu widersprechen, u. a. auch geschlossen in ihrer Studie.

Im Oktober 2011, Webb u. a. berichteter

eine Schwankung im α Abhängigen sowohl auf der Rotverschiebung als auch auf Raumrichtung. Sie berichten, dass "die vereinigte Datei einen Raumdipol" mit einer Zunahme in α mit der Rotverschiebung in einer Richtung und einer Abnahme im anderen ausrüstet." [Ich] ndependent Proben von VLT und Keck gebe konsequente Dipolrichtungen und Umfänge...."

Erklärung von Anthropic

Der anthropic Grundsatz ist ein umstrittenes Argument dessen, warum die unveränderliche Feinstruktur den Wert hat, den es tut: Stabile Sache, und deshalb Leben und intelligente Wesen, konnte nicht bestehen, wenn sein Wert viel verschieden war. Zum Beispiel, waren α, um sich um 4 % zu ändern, Sternfusion würde Kohlenstoff nicht erzeugen, so dass Kohlenstoff-basiertes Leben unmöglich sein würde. Wenn α> 0.1 wären, würde Sternfusion unmöglich sein, und kein Platz im Weltall würde für das Leben warm genug sein, weil wir es wissen.

Erklärungen von Numerological

Weil eine ohne Dimension Konstante, die nicht scheint, direkt mit jeder mathematischen Konstante, die unveränderliche Feinstruktur verbunden zu sein, lange Physiker fasziniert hat. Richard Feynman, einer der Schöpfer und frühen Entwickler der Theorie der Quant-Elektrodynamik (QED), hat sich auf die in diesen Begriffen unveränderliche Feinstruktur bezogen:

Arthur Eddington hat behauptet, dass der Wert durch den reinen Abzug "erhalten werden konnte" und er es mit der Zahl von Eddington, seiner Schätzung der Zahl von Protonen im Weltall verbunden hat. Das hat ihn 1929 dazu gebracht zu vermuten, dass sein Gegenstück genau die ganze Zahl 137 war. Andere Physiker weder angenommen diese Vermutung noch akzeptiert seine Argumente, aber vor den 1940er Jahren experimentelle Werte für 1/α sind genug von 137 abgegangen, um das Argument von Eddington zu widerlegen. Versuche, eine mathematische Basis für diese ohne Dimension Konstante zu finden, haben bislang Zeit fortgesetzt. Zum Beispiel hat der Mathematiker James Gilson vorgeschlagen (am frühsten archive.org Zugang hat auf Dezember 2006 http://web.archive.org/web/20070104030245/http://www.maths.qmul.ac.uk/~jgg/page5.html datiert), dass die unveränderliche Feinstruktur den Wert hat:

29 und 137, die 10. und 33. Primzahlen seiend. 2007 war der Unterschied zwischen dem CODATA-Wert für α und diesem theoretischen Wert über, ungefähr 6mal der Standardfehler für den gemessenen Wert, aber bezüglich der CODATA 2010-Korrektur ist der Unterschied viel größer geworden.

Notierungen

Siehe auch

• Elektrischer unveränderlicher
• Gravitationskopplungskonstante
• Der unveränderliche von Planck
• Geschwindigkeit des Lichtes

Links

• "Einführung in die Konstanten für Nichtexperten," hat sich von der Encyclopædia Britannica, 15. durch die NIST Webseite Verbreiteter Hrsg. angepasst.
• CODATA hat Wert von α bezüglich 2006 empfohlen.
• "Unveränderliche Feinstruktur," die Welt von Eric Weisstein der Physik-Website.
• John D. Barrow, und Webb, John K., "Unbeständige Konstanten," Wissenschaftlicher Amerikaner, Juni 2005.