Nowe wiadomości w sprawie stałej α, zagadkowej liczby, która opisuje siły spajające wszechświat.
Z ogromną dokładnością udało się niedawno oszacować tzw. magiczną liczbę, uznawaną przez wielu – w tym przez słynnego Richarda Feynmana – za jedną z największych zagadek fizyki. Stała struktury subtelnej, oznaczana grecką literą α, charakteryzuje siłę oddziaływań elektromagnetycznych między cząstkami elementarnymi, takimi jak elektrony i protony. Wykorzystywana jest w równaniach dotyczących materii i światła.
Owa wielkość bezwymiarowa, która nie ma żadnej jednostki miary, stanowi klucz do modelu standardowego, czyli jednej z najważniejszych teorii w fizyce. Naukowcy dwuipółkrotnie zwiększyli jej dokładność (uzyskano precyzję pomiaru wynoszącą 81 części na bilion). Dzięki temu wiemy, że α = 1/137,03599920611. Dwóch ostatnich cyfr wciąż nie jesteśmy pewni.
Autorzy tych obliczeń podkreślają, że dokładne ustalenie wartości stałej to przedsięwzięcie niezwykle skomplikowane, a przy tym ważne, gdyż „rozbieżności między przewidywaniami wynikającymi z modelu standardowego a obserwacjami eksperymentalnymi mogą ujawnić nam pewne nieznane dotąd fakty”. Im dokładniej potrafimy określić wartość tej arcyistotnej stałej, tym precyzyjniejsze są nasze przewidywania. Dzięki temu przed naukowcami mogą otworzyć się nowe perspektywy badań – wciąż nie w pełni rozumiemy istotę ciemnej materii, ciemnej energii i różnice między ilością materii a ilością antymaterii.
Stała struktury subtelnej, wprowadzona w 1916 r., opisuje siłę oddziaływań elektromagnetycznych między światłem a cząstkami elementarnymi mającymi ładunek, np. elektronami czy mionami. Precyzyjne obliczenie stałej dostarcza dodatkowego potwierdzenia równań będących podstawą modelu standardowego. Z odkrycia płyną również inne wnioski – poświadczona została teza, że elektron faktycznie jest cząstką elementarną, nie ma bowiem wewnętrznej struktury. Gdyby dało się go rozbić na mniejsze cząstki, zaobserwowalibyśmy oddziaływania magnetyczne. Teraz jednak wiemy już na sto procent, że oddziaływania takie nie występują.
W wywiadzie udzielonym „Quanta Magazine” noblista Eric Cornell (który nie uczestniczył w nowych pomiarach) zwracał uwagę na pewną interesującą rzecz. W „fizyce materii o niskiej energii – a więc fizyce zajmującej się atomami i cząsteczkami, powiązanej z chemią i biologią – występują pewne powtarzające się proporcje większych obiektów do mniejszych obiektów. Co zdumiewające, proporcje te często są potęgami stałej struktury subtelnej”.
Do przeprowadzenia nowych obliczeń zespół czworga fizyków pod kierownictwem Saïdy Guellati-Khélify z paryskiego Laboratoire Kastler Brossel wykorzystał interferometrię. Zastosowane podejście zakłada pomiary dokonywane za pomocą fal elektromagnetycznych. W tym akurat eksperymencie, aby uzyskać nową, dokładniejszą wartość stałej struktury subtelnej, skierowano wiązkę lasera na atomy rubidu schłodzone do temperatury zaledwie paru stopni powyżej zera absolutnego. Dzięki temu atomy były odrzucane, kiedy przyjmowały lub emitowały fotony. Zmierzono energię kinetyczną tego odrzutu, co pozwoliło ustalić masę atomów. Następnie na tej podstawie wyznaczono masę elektronów. W dalszej kolejności obliczono wartość α, wykorzystując informacje o siłach wiązań w atomie wodoru znanych dzięki spektroskopii.
Pierwotnie tekst ukazał się w serwisie BigThink.com. Tytuł został dodany przez redakcję „Przekroju”. Artykuł, prezentujący wyniki, opublikowano w czasopiśmie „Nature”.
Czytaj również:
