Նուրբ կառուցվածքի հաստատուն

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից

Նուրբ կառուցվածքի հաստատուն, հիմնարար ֆիզիկական հաստատուն, բնութագրում է էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության ուժը։ Նշանակվում է հունարեն α տառով։ Չափողականություն չունեցող մեծություն է, ուստի արժեքը նույնն է ցանկացած միավորների համակարգում։ 1916թ. առաջին անգամ ներկայացրել է Առնոլդ Զոմերֆելդը։ Ներկայումս հաշվարկված α-ի արժեքը 1/137.035999074(44) կամ 7.2973525698(24)×10−3 է։

Սահմանումը[խմբագրել]

Նուրբ կառուցվածքի հաստատունը սահմանվում է այլ հիմնարար ֆիզիկական հաստատունների միջոցով.

\alpha = \frac{e^2}{(4 \pi \varepsilon_0)\hbar c} = \frac{e^2 c \mu_0}{2 h} = \frac{k_\mathrm{e} e^2}{\hbar c}

որտեղ

ՍԳՎ համակարգում էլեկտրական լիցքի միավորը սահմանվում է այնպես, որ Կուլոնի հաստատունը՝ ke-ն, կամ 4πε0 բազմապատկիչը լինի 1 և չափողականություն չունենա։ Այդ դեպքում նուրբ կառուցվածքի հաստատունը ներկայացվում է

\alpha = \frac{e^2}{\hbar c}

տեսքով, ինչպես հիմնականում հանդիպում է գրականության մեջ։

Բարձր էներգիաների ֆիզիկայում սովորաբար կիրառվող բնական միավորներով, որտեղ ε0 = c = ħ = 1, նուրբ կառուցվածքի արժեքը կլինի[1]

 \alpha = \frac{e^2}{4 \pi}

Որպես այդպիսին, նուրբ կառուցվածքի հաստատունը պարզապես տարրական էլեկտրական լիցքի այլընտրանքային ներկայացումն է.  \scriptstyle e \ = \ \sqrt{4 \pi \alpha} \ \approx \ 0.30282212 լիցքի բնական միավորներով։

Ֆիզիկական մեկնաբանությունը[խմբագրել]

Ֆիզիկայում α-ն մեկնաբանվում է մի քանի եղանակներով.

\alpha = \left( \frac{e}{q_\mathrm{P}} \right)^2:
  • որպես երկու էներգիաների հարաբերություն, որոնցից մեկը միմյանցից d հեռավորության վրա գտնվող երկու էլեկտրոնների էլեկտրաստատիկ վանողությունը հաղթահարելու համար անհրաժեշտ էներգիան է, մյուսը՝ \lambda = 2\pi d ալիքի երկարությամբ ֆոտոնի էներգիան.
\alpha = \frac{e^2}{4 \pi \varepsilon_0 d} \times \frac{\lambda}{h c} = \frac{e^2}{4 \pi \varepsilon_0 d} \times {\frac{2 \pi d}{h c}} = (\frac{e^2}{4 \pi \varepsilon_0 r} \times {\frac{r}{\hbar c}}) = \frac{e^2}{4 \pi \varepsilon_0 \hbar c}.
  • Էլեկտրոնի արագության հարաբերությունը լույսի արագությանը Բորի ատոմական մոդելում։ Այսպիսով α-ի քառակուսին Հարթրիի էներգիայի (27.2 էՎ = Ռիդբերգի էներգիայի կրկնապատիկը) և էլեկտրոնի հանգստի զանգվածի (511 կէՎ) հարաբերությունն է։
  • Երեք բնութագրական երկարությունների հարաբերակցություն. r_e էլեկտրոնի դասական շառավղի, a_0 Բորի շառավղի և էլեկտրոնի՝ \lambda_e Կոմպտոնի ալիքի երկարության.
r_e = {\alpha \lambda_e \over 2\pi} = \alpha^2 a_0
  • Քվանտային էլեկտրադինամիկայում α-ն փոխազդեցության հաստատուն է, որով որոշվում է փոխազդեցության ուժը էլեկտրոնների և ֆոտոնների միջև։ Այս տեսությամբ α-ի արժեքը չի որոշվում, այն պետք է որոշվի փորձնականորեն։ Փաստացի α-ն տարրական մասնիկների ֆիզիկայում Ստանդարտ մոդելի այն 20 փորձնական պարամետրերից մեկն է, որոնց արժեքը չի սահմանվում Ստանդարտ մոդելով։
  • էլեկտրաթույլ փոխազդեցության տեսության մեջ, որը միավորում է թույլ և էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունները, α-ն ներառվում է երկու այլ փոխազդեցության հաստատունների մեջ, որոնք ներկայացվում են էլեկտրաթույլ տրամաչափային դաշտերով: Այս տեսության մեջ էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը մեկնաբանվում է որպես էլեկտրաթույլ դաշտերով պայմանավորված փոխազդեցությունների խառնուրդ։ Էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության ուժը փոփոխվում է ըստ էներգիական դաշտի ուժի։
  • Պլանկի զանգվածով և տարրական էլեկտրական լիցքով, միմյանցից որոշակի հեռավորության վրա գտնվող երկու հիպոթետիկ նյութական կետերի համար α-ն նրանց էլեկտրաստատիկ վանողության ուժի և գրավիտացիոն ձգողական ուժի հարաբերակցությունն է։
  • Էլեկտրատեխնիկայում և պինդ մարմնի ֆիզիկայում նուրբ կառուցվածքի հաստատունը հավասար է G0 էլեկտրահաղորդականության քվանտի` G0 = 2e2/h և Z0 ազատ տարածության իմպենդանսի՝ Z0 = 1/(c ε0) արտադրյալի մեկ քառորդին՝
\alpha = \frac{1}{4}\,Z_0\,G_0:

Երբ քվանտային էլեկտրադինամիկայում կիրառվում է խոտորումների տեսությունը, ստացված ֆիզիկական արդյունքները ներկայացվում որպես α-ի աստիճանային շարք։ Քանի որ α-ն շատ փոքր է մեկից, բարձր աստիճանները անտեսվում են, և խոտորումների տեսությունը այս դեպքի համար խիստ պրակտիկ է։ Ռենորմալացնող խմբերի տեսության համաձայն, նուրբ կառուցվածքի հաստատունը էներգիայի աճի հետ աճում է լոգարիթմական օրենքով։

Պատմությունը[խմբագրել]

Նուրբ կառուցվածքի հաստատունը 1916թ. ներկայացրել է Առնոլդ Զոմերֆելդը Բորի ատոմական մոդելից սպեկտրային գծերի շեղումները բացատրող իր տեսության մեջ։ α-ի առաջին ֆիզիկական մեկնաբանությունը ռելյատիվիստական Բորի ատոմում առաջին շրջանային ուղեծրում գտնվող էլեկտրոնի արագության հարաբերությունն էր վակուումում լույսի արագությանը[2]: Համարժեք մեկնաբանմամբ այն մի բազմապատկիչ էր առավելագույն անկյունային մոմենտի (որը թույլ էր տրվում հարաբերականության կողմից փակ ուղեծրի համար) և նվազագույն անկյունային մոմենտի (որը թույլ էր տալիս քվանտային մեխանիկան) միջև։ Այն ի հայտ է գալիս Զոմերֆելդի վերլուծություններից և որոշում էր ջրածնային սպեկտրային գծերի (Լիմանի շարքի) ճեղքվածքի չափը կամ նուրբ կառուցվածքը: Նուրբ կառուցվածքի հաստատունը այնպես էր գրգռել ֆիզիկոս Վոլֆգանգ Պաուլիի երևակայությունը և հետաքրքրասիրությունը, որ նա արտասովոր հետազոտություն ձեռնարկեց հոգեբան Կարլ Յունգի հետ միասին դրա նշանակությունը հասկանալու համար[3]

Քաղվածքներ[խմբագրել]

Aquote1.png Եթե ալֆան [նուրբ կառուցվածքի հաստատունը] լիներ ավելի մեծ, քան իրականում այն կա, մենք ի վիճակի չէինք լինի տարբերակել մատերիան այդ երկուսից [վակուումից և ոչնչությունից], և բնության օրենքները բացահայտելու մեր խնդիրը անհուսորեն դժվար կլիներ: Դրանով հանդերձ փաստը, որ ալֆան հենց 1/137 է, անկասկած, բնության օրենքն է, ոչ թե ընտրությունը: Ակնհայտ է, որ այս թվի բացատրությունը պետք է լինի բնափիլիսոփայության առանցքային խնդիրը:
— Մաքս Բոռն
Aquote2.png
Aquote1.png Գոյություն ունի չափազանց խոր և գեղեցիկ հարց՝ կապված փոխազդեցության հաստատունի հետ. իրական էլեկտրոնի ամպլիտուդը իրական ֆոտոն կլանելու կամ ճառագայթելու համար: Այն սովորական թիվ է, փորձնականորեն որոշված արժեքը մոտ է 0.08542455 է: (Իմ ֆիզիկոս ընկերները չեն ճանաչում այս թիվը, քանի որ սիրում են հիշել դրա հակադարձը. մոտ 137.03597 վերջին երկու նիշի անորոշությամբ: Հինգ տարուց ավելի է՝ այս թիվը հանելուկ է իր հայտնաբերման պահից ի վեր, բոլոր լավ տեսաբան ֆիզիկոսները այն իրենց աչքի առաջ ունեն, և բոլորին այն խռովում է:) Դուք անմիջապես կցանկանաք իմանալ, թե որտեղից է գալիս այս կապակցող թիվը, առնչվում է պի թվին թե՞ բնական լոգարիթմի հիմք է: Ոչ ոք չգիտի: Այն ֆիզիկայի ամենամեծ անիծված հանելուկներից մեկն է. կախարդական թիվ, որ եկել է մեզ մոտ առանց հասկացվելու: Դուք կարող եք ասել, որ «Աստծո ձեռքն» է գրել այս թիվը և որ «մենք չգիտենք, թե նա ինչպես է շարժել գրիչը»: Մենք գիտենք, թե ինչ պար ենք պարելու փորձնականորեն այս թիվը մեծ ճշգրտությամբ չափելու համար, սակայն չգիտենք, թե ինչ պար ենք պարելու համակարգչի համար` ստիպելու այս թվին ի հայտ գալ առանց գաղտնիքի մեջ դնելու: Aquote2.png


Անտրոպիկ բացատրությունը[խմբագրել]

Անտրոպիկ սկզբունքը ներկայացնում է վիճելի արգումենտ, թե ինչու է նուրբ կառուցվածքի հաստատունի արժեքը հենց այն, ինչ կա։ Ըստ նրա, կայունը մատերիան, ուստի և կյանքը և բանական էակները գոյություն չէին ունենա, եթե ալֆայի արժեքը ինչ-որ չափով այլ լիներ։ Օրինակ, եթե α-ն փոխվի 4%-ով, միջուկային սինթեզը չի առաջացնի ածխածին, այնպես որ անհնար կլինի ածխածնով պայմանավորված կյանքը։ Եթե α-ն մեծ լիներ 0.1-ից, , հնարավոր չէր լինի աստղի սինթեզ, և Տիեզերքում բավականաչափ ջերմություն չէր լինի կյանքի համար[4]:

Հաստատունության հարցը[խմբագրել]

Հարցի հետազոտությունը, թե արդյո՞ք ալֆան հաստատուն մեծություն է, այսինքն՝ միշտ ունեցել է միևնույն արժեքը թե փոխվել է Տիեզերքի զարգացման ընթացքում, երկար պատմություն ունի։ Նման պատկերացումները առաջին անգամ ի հայտ եկան 1930-ական թթ՝ Տիեզերքի ընդարձակման հայտնաբերումից հետո, և նպատակ ունեին պահպանել Տիեզերքի ստատիկ մոդելը ժամանակի ընթացքում հիմնարար հաստատունների փոփոխվելու հաշվին։ Այսպես, մի հոդվածում[5] Ջ. և Բ. Չալմերսովները առաջարկում են գալակտիկաների սպեկտրային գծերի կարմիր շեղման բացատրությունը որպես տարրական էլեկտրական լիցքի և Պլանկի հաստատունի միաժամանակյա աճի (ինչի պատճառով ալֆան կունենա ժամանակային կախվածություն) հետևանք։ Այլ հրապարակումներում [6][7] ենթադրվում էր, որ նուրբ կառուցվածքի հաստատունը անփոփոխ է մնում այն կազմող հաստատունների միաժամանակյա փոփոխության դեպքում։

1938թ. Պոլ Դիրակը իր Մեծ թվերի հիպոթեզում առաջարկեց, որ գրավիտացիոն հաստատունը կարող է փոքրանալ ժամանակին հակադարձ համեմատական կարգով։ Իր դիտարկման մեջ նա \alpha-ն համարում էր իսկական հաստատուն, սակայն նշում էր, որ ապագայում կարող է այդպես չլինել։ Դիրակի այդ աշխատությունը մեծ հետաքրքրություն առաջացրեց խնդրի նկատմամբ, ինչը պահպանվել է մինչ այսօր։ Դիրակին հետևելով, նուրբ կառուցվածքի հաստատունության հարցը դիտարկեց Պասկուալ Յորդանը և եկավ այն եզրակացության, որ ալֆայի կախվածությունը ժամանակից պետք է բարդ շեղումներ առաջացնի սպեկտրային գծերում[8]: Քանի որ նման շեղումներ չդիտվեցին, նա մերժեց այդ հիպոթեզը։ 1948թ., փորձելով ժխտել Դիրակի հիպոթեզը, Էդվարդ Թելերը նշում է 1/\alpha \sim \ln T, լոգարիթմական կախվածության մասին, որտեղ T-ն Տիեզերքի տարիքն է[9]: Ավելի ուշ ևս առաջարկվեցին համանման առնչություններ։

Ծանոթագրություններ[խմբագրել]

  1. Peskin, M.; Schroeder, D. (1995). An Introduction to Quantum Field Theory. Westview Press. ISBN 0-201-50397-2. p. 125.
  2. «Introduction to the Constants for Nonexperts – Current Advances: The Fine-Structure Constant and Quantum Hall Effect»։ The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty։ NIST։ http://physics.nist.gov/cuu/Constants/alpha.html։ Վերցված է 11 April 2009։ 
  3. P. Varlaki, L. Nadai, J. Bokor (2008). «Number Archetypes and Background Control Theory Concerning the Fine Structure Constant». Acta Polytechnica Hungarica 5 (2): 71. http://uni-obuda.hu/journal/Varlaki_Nadai_Bokor_14.pdf. 
  4. J.D. Barrow (2001). «Cosmology, Life, and the Anthropic Principle». Annals of the New York Academy of Sciences 950 (1): 139–153. doi:10.1111/j.1749-6632.2001.tb02133.x. Bibcode2001NYASA.950..139B. 
  5. J. A. Chalmers, B. Chalmers, The expanding universe—an alternative view, Philosophical Magazine Series 7, 1935, vol. 19, pages 436—446
  6. S. Sambursky, Static Universe and Nebular Red Shift, http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.52.335, Physical Review, 1937, vol. 52, 335—338
  7. J. O'Hanlon, K.-K. Tam, Time Variation of the Fundamental Constants of Physics, http://dx.doi.org/10.1143/PTP.41.1596, Progress of Theoretical Physics, 1969, vol. 41, pages 1596—1598
  8. P. Jordan., Über die kosmologische Konstanz der Feinstrukturkonstanten, http://dx.doi.org/10.1007/BF01340095, Zeitschrift für Physik, 1939, vol. 113, pages= 660—662
  9. E. Teller, On the Change of Physical Constants, http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.73.801 Physical Review, 1948, vol. 73, pages 801—802