0: В книге дугласа адамса путеводитель для путешествующих автостопом по галактике специально построенный суперкомпьютер после 7500000 лет непрерывных вычислений дал ответ на главный вопрос жизни Вселенной и всего такого и
1: Этим ответом оказалось число 42 если бы дуглас адамс был физиком, то, скорее всего, это было бы другое число 137, а если точнее, единица делить на 137, известная как постоянная тонкой структуры.
2: Она же постоянная зоммерфельда или же просто постоянная альфа, если ещё точнее, то эта величина равна 7 целым и 297 1000 * 10 в минус 3 или примерно единица делить на 137 целых и 35/1000 или.
3: Если сократить до целых, то просто 137 это число знает, я думаю, каждый физик теоретик, и в настоящее время оно остаётся 1 из самых интригующих загадок квантовой физики, а точнее квантовой электродинамики, хотя само понятие
4: Тонкой структуры стало известно физикам ещё на Заре квантовой механики как таковой я убеждён в том, что ни 1 уважающий себя научно популярный канал по физике не может обойтись без видео о загадке постоянной тонкой структуры, и именно этим вопросом мы и займёмся.
5: В нашем сегодняшнем видео. Так что усаживайтесь поудобнее, не забудьте подписаться на канал, если ещё этого не сделали и мы отправляемся к истокам 1 из наиболее интригующих тайн нашей Вселенной. Ранняя квантовая механика это
6: В 1 очередь наука об устройстве атомов и о том, как взаимодействуют между собой различные их составляющие. Атомы, это очень маленькие объекты, а их ядра и тем более электроны или протоны с нейтронами ещё меньше и физикам, особенно в конце.
7: 19 и начале 20 века было не так-то и просто что-то об этом всем узнать 1 из наилучшим образом наблюдаемых явлений, по изучению которых можно было нащупать какие-то закономерности и принципы, по которым вот это вот все работает, было явление
8: Поглощение и испускание атомами электромагнитного излучения и, в частности, видимого света, например, ещё с середины 19 века было известно, что атомы испускают и поглощают электромагнитное излучение достаточно странным.
9: 1 взгляд образом спектр представляет собой своеобразный забор из Узких полос тёмных на светлом фоне в случае, если мы говорим о свете, прошедшем через вещество, то есть о спектре поглощения, и светлом на тёмном, если мы изучаем излучение самого вещества.
10: То, насколько удачно та или иная модель, атома объясняла именно такую структуру спектра, исторически было ключевым способом проверки того, насколько данная модель близка к реальности, наиболее очевидной задачей стоявшей.
11: Перед рождавшейся тогда на свет квантовой механикой было объяснение спектров самого простого атома атома водорода с 1 протоном в ядре и 1 электроном на периферии, благо спектры излучения и поглощения водорода к тому моменту.
12: Были уже достаточно хорошо изучены усилиями многих экспериментаторов создать модель атома водорода, позволяющую с теоретической точки зрения объяснить экспериментально наблюдаемые спектры. 1 удалось датскому физику нильсу Бо.
13: Вслед за своим наставником эрнестом резерфордом Бор предположил, что электроны вращаются вокруг ядра, подобно планетам вокруг солнца, причём на каждой орбите кинетическая энергия электрона должна быть равна потенциальной энергии его электрического притяжения к положительно заряженном.
14: Ядру, однако, в отличие от резерфорда, Бор дополнил модель предположением, причём поначалу вообще никак не объяснявшимся, что электроны в атоме могут иметь не какие угодно орбиты, а только определённые, а точнее, такие.
15: Импульса электрона, для которых будет равен целому числу приведённых постоянных планка из этих предпосылок Бор получил формулу, с помощью которой удалось построить как бы карту возможных орбит электрона вокруг ядра атома водорода каждый из них
16: Соответствовало определённое значение кинетической энергии, которой должен обладать электрон для пребывания на данной орбите или, как физики предпочитают говорить сегодня на данном энергетическом уровне. Соответственно, линейчатый характер спектров поглощения и
17: Излучение атомов вообще и атомов водорода в частности получал простое и изящное объяснение водород поглощает свет только определённых длин волн, потому что фотоны, соответствующие именно этим длинам волн, имеют энергию необхо.
18: Dimmi достаточную для перехода электрона с 1 энергетического уровня на другой, соответственно, когда мы облучаем вещество светом, состоящим из множества фотонов разной энергии, то поглощаются только те фотоны, энергия которых соответствует.
19: Тому или иному переходу и таких фотонов в спектре проходящего через вещество света. То есть в спектре поглощения, становится меньше, чем и объясняется возникновение тёмных полос. Когда же электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, то они
20: Излучает фотон, энергия которого соответствует Такому переходу, и соответствующие длины волн появляются в спектре излучения в виде светлых полос. Ну так вот, карта энергетических уровней атомов водорода, теоретически составленная Бором
21: И его коллегами, достаточно хорошо соответствовала реальным наблюдаемым спектрам излучения и поглощения водорода. Теория Бора, как мы уже с вами неоднократно говорили, была с современной точки зрения достаточно наивной. Например, сегодня мы не считаем, что электроны в атоме вращаются по
22: Каким-то там орбитам. Однако здравое зерно в модели было, и из этого зерна впоследствии выросло все современное древо квантовой физики достаточно скоро учёные сумели рассмотреть спектральные линии водорода более подробно, и выяснилось, что как
23: Каждая такая линия на самом деле представляет собой линии с чуть чуть различной длиной, волны, которым должны были соответствовать энергетические уровни со слегка различной энергией для примера рассмотрим так называемую альфа линию серии лаймана в спектре излучения.
24: Водорода, она же линия лайман альфа, она соответствует переходу электрона в атоме с уровня 2 на 1 энергетический уровень, то есть в основное состояние. Разница в энергиях между уровнями составляет примерно 10 электрон вольт и при переходе с 1 уровня на другой.
25: Излучается фотон с длиной волны примерно в 121 целую и 567/1000 нанометра. Ну так вот, оказалось, что на самом деле линия лайман альфа состоит из 2 линий с длинами волн в 121 целую и 5668.
26: Десятитысячных нанометра и 121 целую 5674 десятитысячных нанометра. То есть линия лайман альфа как бы расщепляется на 2 очень близко расположенные, но все-таки различимо разные линии, каждая из которых соответствует
27: Переходом в основное состояние с 2 чуть чуть различных по значениям энергии энергетических уровней. Это явление назвали тонким расщеплением энергетических уровней, а саму скрытую структуру спектральных линий их тонкой структурой тонкая структура была
28: Выявлено также у других спектральных линий атомов водорода, равно как и у спектральных линий других атомов сегодня мы знаем, что наличие тонкой структуры в спектрах атомов объясняется так называемым спин орбитальным взаимодействием, чтобы не углубляться в квантово механические депри. Объясним его.
29: В рамках все той же наивной, но зато наглядной Боровской модели, в которой электрон вращается вокруг ядра, посмотрим на все это дело с точки зрения, а точнее, из системы отсчёта самого электрона в этой системе сам он неподвижен, а вокруг него
30: Вращается массивное, положительно заряженное ядро, создающее благодаря этому вращению магнитное поле в данной системе отсчёта повторюсь, электрон неподвижен, и поэтому магнитное поле вроде бы как не должно на него влиять, ведь магнитное поле, как мы знаем.
31: Действует только на движущиеся заряженные частицы. Однако у электрона, даже неподвижного, все равно есть собственный магнитный момент, связанный с такой его характеристикой, как spin подробнее о спине мы говорили в 1 из наших прошлых видео. Ну так вот, обладая спином,
32: А значит, и собственным магнитным моментом. То есть, являясь крошечным магнитиком, электрон будет реагировать на вот это вот возникающее в его собственной системе отчёта магнитное поле, а значит, помимо потенциальной энергии чисто электрического взаимодействия электрона с ядром.
33: У него будет возникать ещё и некая потенциальная энергия взаимодействия с магнитным полем, и вот оказывается, что суммарная потенциальная энергия электрона в такой системе окажется чуть большей, если его магнитный момент окажется направлен в ту же сторону, что и магнитное поле, возникающее вследствие ег.
34: Орбитального движения и чуть меньший. Если они направлены в противоположные стороны, то есть если мы закроем глаза на спинобифида, взаимодействие, то мы будем иметь 1 единственный энергетический уровень. А если учтём это взаимодействие, то получим уже
35: 2 энергетических уровня, чуть побольше и чуть поменьше основного в те времена, о которых идёт речь до концепции спина, ещё не додумались её ввели в науку только в 1925 году гаудсмит и уленбек. И фактически правильно объяснить.
36: И тем более правильно посчитать спин орбитальное взаимодействие физики тогда, по идее, ещё не могли. Тем не менее, в 1916 году Арнольд Зоммерфельд представил свою формулу для количественного расчёта величины тонкого расщепления уровней, которая давала результаты, неплохо совпадая.
37: С экспериментальными данными, среди прочего, величина тонкого расщепления оказалась пропорциональна квадрату вот такой величины, равной квадрату заряда электрона делить на произведение постоянной планка на скорость света, что в итоге даёт нам 7 целых и 200 девянос.
38: 97 на 10 минус 3 или примерно единицу делить на 137. Зоммерфельд обозначил эту константу как константу альфа, и именно её мы сегодня называем постоянной тонкой структурой. Если точнее, Зоммерфельд получил выражение для постоянной тонкой структуры в системе един.
39: Sgs в более общепринятой системе си выражение будет вот таким подчеркнём Зоммерфельд вывел, по сути, правильную формулу, не имея представления о настоящей физической природе эффекта, и, более того, он вывел её из физических представлений.
40: Впоследствии оказавшихся неверными, как ему это удалось позже, выяснилось, что он допустил при выводе формулы ошибку и благодаря этой ошибке неправильно выведенная из неверных соображений формула случайно.
41: Казалось почти верной тот случай, когда минус на минус даёт плюс подобные исторические анекдоты в физике время от времени случаются существенно позже, уже в 1928 году, правильную формулу для величины тонкого расщепления уровней и испра.
42: Физических соображений выявил поль дирак, и в ней, конечно же, тоже присутствовала константа альфа, которая по уже известным нам историческим причинам, хотя, возможно, и не вполне заслуженно стала носить имя постоянной зоммерфельда, появление в тех или иных физичес.
43: Формулах каких-то констант или коэффициентов, особенно если это не какие-то фундаментальные константы, а комбинации других величин не является чем-то удивительным в ядерной физике таких констант просто море, магнитон, Бора боровский радиус, зарядовый радиус протона.
44: О котором у нас, кстати, есть отдельное видео, постоянная ридберга и так далее. Однако, чем дальше, тем больше физикам становилось очевидно, что вот конкретно с постоянной зомерфельда, не все так просто, и она, значит, нечто очень
45: Важное. Во первых, выяснилось, что это постоянное регулярно появляется и во многих других формулах, описывающих процессы, происходящие в атоме, например, оказалось, что кинетическая энергия электрона в атоме водорода в основном состоянии равна его массе покоя, то есть
46: Произведение его массы на квадрат скорости света умножить на квадрат альфа. Далее оказалось, что заряд электрона Ровно в корень из альфа раз меньше так называемого планковского заряда, то есть величины заряда, собранной из фундаментальных физических констант, таких как
47: Постоянная планка и скорость света, но самым поразительным было то, что постоянная тонкой структуры оказалась безразмерной физической величиной действительно, если мы подставим формулу для постоянной тонкой структуры размерности, для всех составляющих её физических величин.
48: То увидим, что все эти размерности сократятся и мы получим безразмерную величину, то есть не величину даже, а просто число, число, от которого, как мы уже видели выше, загадочным образом зависят многие параметры того,
49: Что происходит в атоме, что в этом необычного? Да, то, что практически все физические константы имеют размерность и, более того, их размерность, то есть то, в каких единицах мы их считаем, непосредственно определяет их значение, взять хотя бы
50: Такую фундаментальную константу, как скорость света в вакууме, равную двухста 99792000 четырехста 58 метрам в секунду. Мы привыкли, что скорость света такая, однако, в принципе, её величина может быть и совершенно другой, например,
51: В километрах в час скорость света составит 1 миллиард 79000000 в милях в час 670000000 и 616000 в парсеках в год 0,3 и так далее. Мы даже можем ввести систему единиц, в которой скорость света будет равна
52: Единицы. Именно столько составляет скорость света в вакууме, например, в планковской системе единиц, о которой у нас, кстати, есть отдельное видео. Иными словами, значение фундаментальных физических констант по большому счёту являются следствием.
53: Договорённостей о том, в каких единицах мы их выражаем. А вот с константой альфа все не так. Какую бы систему единиц мы не выбрали в ней. Постоянная, тонкой структуры все равно будет равна единице делить на 137. И более того,
54: Если однажды мы встретим в космосе братьев по разуму, то их специалисты по квантовой физике тоже будут знать про число 137 вне зависимости от того, в каких единицах они выражают физические величины в принципе, нам известны другие подобные безразмерные константы, например.
55: Числа пи и е. Однако они пришли в физику из математики например, число пи есть отношение длины окружности к её диаметру, а число е это основание степени экспоненциальной функции, при котором производная от этой функции равняется ей самой.
56: И вот уже благодаря обладанию этим математическим смыслом данные постоянные проникли в физику и используются в ней с постоянной или, наверное, правильнее будет говорить с числом альфа. Это так не работает. Мы подсмотрели это число у Вселенной напрямую.
57: И нам, конечно же, было бы крайне интересно узнать, что это число на самом деле означает это 1 из величайших проклятых тайн физики магическое число, которое дано нам и которое человек совсем не понимает можно было бы сказать, что это число написала рука.
58: Бога, и мы не знаем, что Двигало его карандашом, говорил по этому поводу знаменитый ричард Фейман, а вольфганг Паули даже сказал, что 1 вопросом, который он задаст дьяволу, когда попадёт на тот свет, будет вопрос о смысле постоянной тонкой структуры. Многие физики
59: Различное время пытались дать ответ на то, откуда в фундаментальном смысле берётся постоянная зоммерфельда и почему она именно такая например, много лет бился над решением этой задачи знаменитый английский астрофизик Артур эддингтон в те времена, а речь идёт о конце двадцатых.
60: В начале тридцатых годов 20 века точное значение постоянной тонкой структуры ещё не было измерено эддингтон вывел достаточно сложную теорию, в которой доказывал, что величина единица делить на альфа, выражает число неких обобщённых степеней свободы электрона и у
61: Него получилось достаточно остроумно доказать, что альфа должна быть равна единице делить на 136, увы, почти сразу же после того, как он опубликовал свои вычисления, подоспели свежие эксперименты, показавшие, что значение альфа ближе к единице делить на 130 sam.
62: Чем к единице делить на 136. И эддингтон даже построил новое доказательство того, что альфа должна быть равна именно этой величине, однако потом были проведены ещё более точные эксперименты, показавшие, что знаменатель дроби не является целым числом, которое окончательно поставили.
63: Крест на теории эддингтона, согласно современным представлениям, постоянная тонкой структуры, является характеристикой интенсивности электромагнитного взаимодействия, то есть того, насколько активно тело, обладающее тем или иным зарядом, взаимодействует.
64: С электромагнитным полем я попробую проиллюстрировать это утверждение относительно понятным способом с помощью несложной математики объяснение будет небезупречное со строго физической точки зрения, но, надеюсь, позволит зрителям составить представление о том, что тут вообще имеется ввиду сила.
65: Электрического отталкивания 2 неподвижных электронов, расположенных на расстоянии r друг от друга, как известно, описывается законом кулона с другой стороны, в квантовой электродинамике их взаимодействие описывается посредством обмена виртуальным фотоном, грубо говоря, пра.
66: Частица излучает фотон, обладающий импульсом p, направленным влево по закону сохранения импульса, начиная при этом сама двигаться вправо когда фотон долетит до левой частицы и будет поглощён ею, то его импульс передастся 2 частице и та.
67: Начнёт двигаться влево, то есть будет наблюдаться то самое электрическое отталкивание, которое мы видим на практике. Сила такого отталкивания по известному механическому соотношению будет равна переданному импульсу, то есть импульсу фотона, делённому на время.
68: Передача этого импульса от 1 тела другому импульс фотона, как известно, равен постоянной планка делить на длину соответствующей этому фотону волны электромагнитного излучения. В нашем случае эта длина волны будет равна расстоянию между частицами. С другой стороны, время взаимодействия
69: То есть время распространения фотона будет равно расстоянию между частицами, делённому на скорость света, откуда получаем итоговое выражение для силового эффекта, который был бы эквивалентен обмену электронов 1 единственным фотоном с данной.
70: Длиной волны, равной расстоянию между электронами, то есть индивидуальной порции взаимодействия в терминах квантовой теории поля, сравнив это выражение для 0 порции силы взаимодействия с выражением для полной величины силы, которую
71: Даёт нам закон кулона. Мы можем достаточно легко заметить, что выражение для полной силы можно получить из выражения для 0 порции силы посредством домножения её на выражение для нашей постоянной зоммерфельда, то есть для альфа. И в результате мы
72: Придём к вот Такому выражению, из которого нам станет уже понятен реальный смысл постоянной тонкой структуры. Это интенсивность, с которой электроны порождают и поглощают виртуальные фотоны, или с учётом того, что постоянная тонкой структуры ме.
73: Единицы. Правильнее будет говорить о вероятности порождения и поглощения электронном виртуального фотона. И так как именно обмен фотонами в квантовой теории поля считается механизмом электромагнитного взаимодействия, то мы приходим к выводу, что
74: Постоянная зоммерфельда играет роль показателя интенсивности электромагнитного взаимодействия в нашей Вселенной, и в этом смысле постоянная альфа действительно играет фундаментальную роль именно с физической точки зрения, так как электромагнитное взаимо
75: Действие является 1 из 4 фундаментальных взаимодействий, то есть 1 из 4 причин того, почему во Вселенной вообще что-либо происходит, в частности, именно значение постоянной, альфа определяет то,
76: Какие процессы происходят, а какие не происходят в ядерной и молекулярной физике и химии, будь альфа, даже насчитанные проценты больше или меньше её текущего значения, все эти процессы происходили бы совершенно иначе и среди прочего существования жизни.
77: Какой мы её знаем, было бы невозможно, однако это не исключает того факта, что во Вселенной с другой постоянной альфа возникла бы какая-то другая химия и, соответственно, другая жизнь, функционирующая по совсем иным химическим или даже физическим.
78: Законом, аналогично постоянной зоммерфельда, можно ввести показатели интенсивности и для других фундаментальных взаимодействий например, для сильного ядерного взаимодействия соответствующая, постоянная, согласно современным измерениям, равна примерно 15, а для гравитационного
79: Что-то порядка 10 в - 30 9 степени, что в целом отражает наше представление о соотношении интенсивности данных взаимодействий. Но почему эти величины именно таковы? Единственный ответ на этот вопрос, которым мы пока что располагаем, это потому, что так
80: Устроена Вселенная, что, как знают постоянные зрители моего канала, является вежливым способом сказать мы этого пока что не знаем. Возможно, когда будет создана единая теория фундаментальных взаимодействий, мы получим ответ на этот вопрос, в частности, попытки
81: Получить его в настоящее время делаются в теории струн пока что лучший результат, которого там удалось добиться, это единица делить на 136 целых и 978/1000 неплохо, но в то же время пока что и недостаточно хорошо в связи с проблемой значения постоянной.
82: Тонкой структуры возникает и ещё 1 вопрос а всегда ли это значение было таким в прошлом и всегда ли оно останется таким в будущем? Некоторые физические теории предполагают, что постоянная зоммерфельда могла иметь большее значение в ранней более.
83: Плотной и горячей Вселенной и со временем, по мере её расширения и охлаждения, уменьшалась до текущих значений. Более того, так как в выражении для постоянной зоммерфельда фигурирует заряд электрона, то есть заряд, наименьший по массе, а значит, и по энергии покоя заряженной частицы, то
84: Считается, что в настоящий момент постоянная тонкой структуры приняла своё минимально возможное значение и в дальнейшем уже уменьшаться не будет, то есть, согласно этой теории, сегодня мы живём в эпоху минимально возможной интенсивности электромагнитного взаимодействия.
85: Суждения о том, какой была постоянная зоммерфельда в далёком прошлом Вселенной, являются не вполне абстрактными благодаря конечности скорости света мы можем буквально заглянуть в прошлое, изучив свет, идущий к нам от далёких галактик, испущенный ими.
86: Миллиарды лет тому назад. Действительно, если бы в те времена, когда эти удалённые объекты излучили свет, постоянная альфа имела другие значения, то есть электромагнитное взаимодействие происходило бы иначе, то и спектральные линии, которые мы находим в этом свете.
87: Должны были бы выглядеть по другому. Исследования этого вопроса проводились многократно, начиная с шестидесятых годов 20 века и вплоть до наших дней. Последняя такая проверка, информацию о которой мне удалось найти, была проведена в 2020 году, изучив свет квазара,
88: Учёные примерно 13 миллиардов лет назад учёные установили, что значение постоянной альфа в те времена отличалось от того, которое мы фиксируем сегодня не более чем на 2/1000 доли процента. С другой стороны, даже в те далёкие времена Вселенная в смысле плотности.
89: Вещества и энергии уже качественно не отличалась от того, что мы наблюдаем сегодня, так что окончательную точку в вопросе ставить рано. Мы все ещё не можем исключать, что постоянная альфа имела другие значения в первые минуты, часы, годы или даже ты
90: Тысячелетия существования Вселенной. Однако подтверждения этого у нас пока что нет таким образом, хотя за прошедшие со времён Бора зоммерфельда Паули и дирака времена мы узнали о постоянной альфа достаточно много, это число все ещё таит в себе.
91: Массу загадок, которые ещё только предстоит разгадать будущим поколениям Физиков. И это здорово, ведь путь прогресса это ничто иное, как путь последовательного разгадывания таких загадок. И пока перед нами стоят вопросы, на которые у нас нет ответа, нам ещё есть куда расти, а значит,
92: В будущем наука сможет открыть новые тайны Вселенной, которые, среди прочего, потом могут лечь в основу каких-то новых технологий, которые смогут изменить к лучшему, в том числе и нашу с вами повседневную жизнь. В наших следующих видео мы обязательно продолжим знакомство как уже с разгаданными, так и с пока ещё.
93: Остающимися для нас нераскрытыми тайнами Вселенной.