Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Перевод Физики уточнили величину волшебного числа, управляющего Вселенной

Парижская команда исследователей провела наиболее точное на сегодня измерение постоянной тонкой структуры, отобрав у нас надежду на существование в природе неизвестного взаимодействия



Постоянную тонкой структуры ввели в 1916 году для количественной оценки промежутков между двумя линиями в спектре цветов, испускаемых определёнными атомами. На фото плотно расположенные частоты видны через резонатор Фабри Перо

Среди фундаментальных констант наибольшей известностью пользуется скорость света с. Однако её числовое значение ничего не говорит нам о природе оно зависит от единиц измерения, будь то метры в секунду или мили в час. А у постоянной тонкой структуры, наоборот, размерности нет. Это чистое число, потрясающе сильно влияющее на Вселенную. Ричард Фейнман писал, что это волшебное число, найденное нами без какого-либо понимания. Поль Дирак считал происхождение этого числа наиболее фундаментальной из нерешённых задач физики.

По величине постоянная тонкой структуры, обозначаемая греческой буквой , очень близка к дроби 1/137. Она часто встречается в уравнениях, описывающих поведение света и материи. В архитектуре, например, часто встречается золотое сечение, сказал Эрик Корнелл, физик из Колорадского университета и Национального института стандартов и технологий, нобелевский лауреат. А в физике материи низких энергий атомов, молекул, химии, биологии постоянно встречается соотношение размеров большего к меньшему. И эти соотношения часто оказываются степенями постоянной тонкой структуры.

Постоянная повсеместна, поскольку она описывает силу электромагнитного взаимодействия, действующего на заряженные частицы электроны и протоны. В повседневном мире мы сталкиваемся либо с гравитацией, либо с электромагнетизмом. Поэтому альфа так важна, сказал Холгер Мюллер, физик из Калифорнийского университета в Беркли. 1/137 это немного, и влияние электромагнетизма слабое. В результате заряженные частицы формируют преимущественно пустые атомы, в которых электроны движутся по удалённым орбитам и легко с них срываются. Это приводит к формированию химических связей. С другой стороны, постоянная достаточно велика если бы она была ближе к 1/138, в звёздах не создавался бы углерод, и знакомая нам жизнь не смогла бы появиться.

Физики почти сто лет были одержимы желанием выяснить, почему значение альфы оказалось именно таким. Но сегодня они практически охладели к этому вопросу, и признают, что значение фундаментальных постоянных может быть случайным, определяясь броском космических игральных костей при рождении Вселенной. Теперь у них появилась новая цель.

Физики хотят как можно более точно измерить значение постоянной тонкой структуры. Поскольку она встречается везде, её точное значение позволяет им проверить свою теорию взаимосвязи элементарных частиц. А именно, великолепный набор уравнений, известный под названием Стандартной модели физики частиц. Любые расхождения в точно измеренных значениях, связанных друг с другом, могли бы указывать на существование новых частиц или неучтённых стандартными уравнениями эффектов. Корнелл называет такие точные измерения третьим способом экспериментального раскрытия фундаментальных принципов работы Вселенной после ускорителей частиц и телескопов.

В декабре 2020 команда из четырёх физиков под руководством Саиды Гелати-Халифы из парижской лаборатории Кастлер-Броссел опубликовала в журнале Nature новую работу с самым точным на сегодняшний день измерением величины постоянной тонкой структуры. Команда получила значение постоянной вплоть до 11 знака: = 1/137,035999206.

С погрешностью всего в 81 триллионную новое значение стало в три раза более точным, чем предыдущее, проведённое в 2018 году главным конкурентом команды группой Мюллера в Беркли. До Мюллера Гелати-Халифа получала самое точное на тот момент значение в 2011. О новом значении, полученном их соперниками, Мюллер сказал: В три раза это серьёзно. Можно без особого стеснения назвать это отличным достижением.


Саида Гелати-Халифа в своей парижской лаборатории

Гелати-Халифа улучшает свой эксперимент уже 22 года. Она измеряет постоянную тонкой структуры путём измерения величины отклонения атомов рубидия при поглощении ими фотона. Мюллер делает то же самое с атомами цезия. Скорость отклонения характеризует массу атомов рубидия в простой формуле постоянной тонкой структуры это самый сложный для измерения член. Узким местом всегда служит наименее точно измеренная величина, поэтому любое улучшение в этой области ведёт к уточнению постоянной тонкой структуры, пояснил Мюллер.

Начали парижские экспериментаторы с того, что охладили атомы рубидия почти до абсолютного нуля, а потом бросили их в вакуумную камеру. Пока облако атомов опускалось, исследователи при помощи лазерных импульсов приводили их в квантовую суперпозицию из двух состояний столкнувшихся с фотоном, и не столкнувшихся. Две вероятные версии каждого атома перемещались по отдельным траекториям, пока новые импульсы лазера не свели обратно половинки суперпозиции. Чем больше атом отклонялся при столкновении с фотоном, тем сильнее он отличался по фазе от другой своей версии, с фотоном не столкнувшейся. Исследователи измеряли эту разницу, высчитывая скорость отклонения. Из скорости отклонения мы получаем массу атома, а масса атома напрямую определяет постоянную тонкой структуры , сказала Гелати-Халифа.

В таких точных экспериментах имеет значение каждая мелочь. В первой таблице новой работы приведён бюджет ошибок 16 источников возможных погрешностей и неточностей, влияющих на итоговый результат. Сюда входят гравитация и сила Кориолиса из-за вращения Земли оба эти значения были тщательно подсчитаны и учтены при измерениях. Наибольший вклад в бюджет ошибок вносят недостатки лазера, который учёные постоянно улучшают уже много лет.

Тяжелее всего Гелати-Халифе понять, в какой момент нужно остановиться и опубликовать результаты. Они с командой остановились 17 февраля 2020 года когда коронавирус набирал обороты во Франции. На вопрос, похоже ли принятие решения учёным о том, когда нужно публиковать работу, на мысли художника о том, когда считать картину законченной. Гелати-Халифа ответила: Именно, именно, именно.

Неожиданностью стало то, что результат её измерений отличается от результата Мюллера от 2018 года в десятой позиции после запятой это отличие больше, чем погрешность обоих измерений. Это значит, что, за исключением фундаментальных различий рубидия и цезия, в одном или обоих измерениях может содержаться неучтённая ошибка. Измерение парижской группы более точное, поэтому пока что у него есть преимущество, однако обе команды улучшат свои экспериментальные установки, и попробуют снова.

Хотя два этих измерения и отличаются, они близки к значению альфы, полученному из точных измерений g-фактора электрона постоянной, связанной с его магнитным моментом, по сути, крутящим моментом, который он испытывает в магнитном поле. Постоянную тонкой структуры можно связать с g-фактором посредством огромного набора формул, сказал Корнелл. И если бы в уравнениях Стандартной модели не хватало бы каких-нибудь физических эффектов, мы бы получали неправильные ответы.

Но на самом деле все измерения прекрасно совпадают, что по большей части отметает некоторые предположения о существовании новых частиц. Совпадение наилучших измерений g-фактора и измерения, проведённого Мюллером в 2018 году, приветствовали как величайший триумф Стандартной модели. Новый результат Гелати-Халифы ещё лучше соответствует ожидаемому. Это самое лучшее совпадение теории с экспериментом, сказала она.

И всё же они с Мюллером настроены на дальнейшие улучшения экспериментов. Команда из Беркли переключилась на новый лазер с более широким лучом (благодаря которому получится равномернее обстреливать облако атомов цезия). Парижская команда планирует заменить вакуумную камеру, и провести иные усовершенствования.

Каким человеком надо быть, чтобы тратить так много сил на такой скромный результат? Гелати-Халифа назвала три свойства: Нужно быть скрупулёзным, пылким и честным с самим собой. Мюллер сказал: Думаю, что всё это очень интересно. Лично я обожаю строить новенькие блестящие механизмы. И применять их к каким-то важным вещам. Он отметил, что никто не может в одиночку построить коллайдер высоких энергий типа европейского Большого адронного коллайдера. Однако при сборке сверхточного инструмента можно проводить измерения, важные для фундаментальной физики, работая всего втроём-вчетвером.
Источник: habr.com
К списку статей
Опубликовано: 11.01.2021 18:14:50
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Научно-популярное

Физика

Постоянная тонкой структуры

Измерения

Эксперименты

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru