精细结构常数的意义及其背后的物理原理为

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著名的奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利曾说过：“当我死后，我将向上帝提问的第一个问题是，精细结构常数的意义是什么？”美国物理学家理查德·费曼将其描述为“我们无法理解的神奇数字”。

这个常数用希腊字母α表示，它是一个无量纲数，无论选用什么制式的单位它都有相同的值——大约1/。表面上看它没有什么特别之处，但其实它的精确值非常重要。一些研究表明，如果它的数值偏离4%，那么我们就不复存在，因为恒星将无法聚变产生碳和氧，这也是有些人相信宇宙为生命进行微调的原因。

这个常数在物理学中似乎无处不在，但是它的值目前还不能从任何理论中直接预测出来，它是我们必须在宇宙中通过实验测量的基本常数之一。它是我们手动插入粒子物理学标准模型的参数之一，这可以使该理论更好地工作。一些科学家甚至提出了的神秘意义，因为它也在宇宙的其他地方出现。

这个神秘的数字是什么？它为什么会有这样一个数值？这又代表了什么含义？我将尽我所能简述这个常数背后复杂的物理原理。

精细结构常数是什么

精细结构常数α的方程如上图。曾经有一段时间，人们认为它正好是1/，但随着技术越来越先进，我们所测量的值也越来越准确。现在的问题是，导致这个神秘数字公式的物理解释是什么？如果我们仔细研究这个公式，我们可以用几种不同的方式写出它，并思考这个数字代表的含义。

首先，它可以写成两个能量的比值：克服相距为d的两个电子的静电排斥所需的能量比上波长为λ的光子的能量。另一种排列方法会得到更容易理解的比例：经典轨道中电子的速度与光速之比。换句话说，在经典的原子模型中，电子绕轨道运动的速度大约是光速的1/。但是，这种理解存在于玻尔的原子模型中，随着薛定谔方程的提出和对量子力学的深入了解，我们知道电子是一个带负电的概率云。

精细结构常数怎么产生的

我们知道这个常数已经有年之久了。年，德国物理学家阿诺德·索末菲在扩展玻尔的原子模型时引入了这个常数。

年，尼尔斯·玻尔提出了一个原子模型，其中电子绕原子核运动，就像太阳系中的行星绕太阳运动一样。但两者不同的是，玻尔提出电子只能占据与普朗克常数成比例的某些能级，他把这些能级称之为原子轨道。换句话说，这些轨道中电子的能量被量子化了。当电子从较高的轨道转移到较低的轨道时，它们以光子的形式释放能量；当它们从较低的轨道移动到较高的轨道时，它们会吸收能量。玻尔的原始方程如下图，他的方程指出，能量取决于量子数n，也就是电子所在的轨道。

该模型解决了经典物理中的几个问题，并有助于我们目前对量子力学的理解。但它未能精确再现原子发出光的实验结果，它只是根据主轨道来预测原子的结构，没有考虑到电子的自旋或相对论效应。阿诺德·索末菲能够证明，原子存在更精细的结构：具有亚轨道，并引入了一个参数：电子速度与光速之比。他引入了精细结构常数，更准确地描述了原子能量发射的观测结果。

为什么精细结构常数如此重要

一方面，这个常数很小，这意味着与强核力相比，电磁力相对较弱，其结果是电子轨道离质子有相当大的距离。这可以从玻尔半径方程来理解（下图），我们可以看到精细结构常数α越小，原子的半径越大。如果一个原子的原子核大小相当于一个高尔夫球，那么电子概率云的大小将延伸到2.5公里。这一距离使得原子中的电子可以相对容易地与其他原子交换，从而发生化学反应，生命也就有了可能。

另一方面，α的值也不会太大，否则原子不会在一开始就形成。所以在我们的宇宙中，α值相对平衡，不会太高也不会太低，处于“金发姑娘区”。年，英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人研究出了恒星产生碳氮氧的过程，他们发现只有α处于适当值时，氦聚变才会更容易产生碳元素，生命的存在才可能。如果这个常数相差4%左右，要么氦不会聚变，要么恒星会过快燃烧。

精细结构常数真的是常数吗

α值会随着能量条件的变化而变化，这就是量子电动力学理论所表明的耦合。在宇宙温度接近绝对零的的时候，它确实非常接近1/。但是在10^15开尔文这样的高温之下（宇宙大爆炸时期出现的温度），科学家认为α的值应该为1/或更大。

许多人认为α值有神秘的意义，因为它也出现在宇宙的其它地方。例如，目前我们的宇宙大约有亿年的历史。