Одна из фундаментальных констант природы, постоянная тонкой структуры, определяет очень многое в нашей Вселенной. Вот почему она важна.

 Каждая s-орбиталь (красная), каждая p-орбиталь (жёлтая), d-орбиталь (синяя) и f-орбиталь (зелёная) могут содержать только по два электрона: по одному с верхним и нижним спином. Эффекты спина, движения со скоростью, близкой к скорости света, и флуктуационная природа квантовых полей, пронизывающих Вселенную, — всё это обусловливает тонкую структуру, которую демонстрирует материя.
Каждая s-орбиталь (красная), каждая p-орбиталь (жёлтая), d-орбиталь (синяя) и f-орбиталь (зелёная) могут содержать только по два электрона: по одному с верхним и нижним спином. Эффекты спина, движения со скоростью, близкой к скорости света, и флуктуационная природа квантовых полей, пронизывающих Вселенную, — всё это обусловливает тонкую структуру, которую демонстрирует материя.

С тех пор как мы впервые осознали, что Вселенная подчиняется физическим законам, мы задаёмся огромным экзистенциальным вопросом: почему наша Вселенная устроена именно так, а не каким-то иным образом, который мы могли бы себе представить? Есть только три вещи, которые делают её такой: это сами законы природы, фундаментальные константы, управляющие реальностью, и начальные условия, в которых родилась наша Вселенная.

Если бы в нашей Вселенной действовали другие законы природы, то всё было бы по-другому; космос был бы совершенно иным практически во всех отношениях, которые только можно себе представить. Протоны могли бы распадаться, фундаментальные величины, такие как массы частиц, не были бы постоянными, а величины любых фундаментальных сил могли бы в любой момент резко измениться.

Если бы только начальные условия нашей Вселенной были другими, то космическая история разворачивалась бы одинаково в общих чертах, но детали отличались бы между той гипотетической Вселенной и нашей собственной. Что касается фундаментальных констант, то одни изменения были бы глубокими, а другие — едва заметными. В нашей Вселенной константы имеют явно выраженные значения, и именно эта комбинация даёт тот космос, в котором мы живём. Одна из этих фундаментальных констант известна как постоянная тонкой структуры, и её приблизительное значение (1/137) фигурирует в расчётах, имеющих значение для целого ряда явлений, как на субатомном, так и на космическом уровнях.

Наша история начинается с простых строительных блоков материи, из которых состоит Вселенная: фундаментальных частиц Стандартной модели.

 Структура протона, смоделированная вместе с сопутствующими полями, показывает, что, хотя он состоит из точечных кварков и глюонов, он имеет конечный, значительный размер, который возникает благодаря взаимодействию квантовых сил и полей внутри него. Сам протон является составной, а не фундаментальной квантовой частицей. Однако считается, что кварки и глюоны внутри него, а также электроны, вращающиеся вокруг атомного ядра, действительно фундаментальны и неделимы.
Структура протона, смоделированная вместе с сопутствующими полями, показывает, что, хотя он состоит из точечных кварков и глюонов, он имеет конечный, значительный размер, который возникает благодаря взаимодействию квантовых сил и полей внутри него. Сам протон является составной, а не фундаментальной квантовой частицей. Однако считается, что кварки и глюоны внутри него, а также электроны, вращающиеся вокруг атомного ядра, действительно фундаментальны и неделимы.

Наша Вселенная, если разложить её на мельчайшие составные части, состоит из частиц Стандартной модели. Кварки и глюоны, два типа этих частиц, связываются вместе, образуя связанные состояния, такие как протон и нейтрон, которые сами связываются в атомные ядра. Электроны, ещё один тип фундаментальных частиц, являются самыми лёгкими из заряженных лептонов. Когда электроны и атомные ядра связываются вместе, они образуют атомы — строительные блоки обычной материи, из которой состоит всё, что мы видим в повседневной жизни.

Ещё до того, как люди поняли, как устроены атомы, мы определили многие их свойства. В XIX веке мы обнаружили, что электрический заряд ядра определяет химические свойства атома, и выяснили, что каждый атом имеет свой уникальный спектр линий, которые он может испускать и поглощать. Экспериментальные доказательства существования дискретной квантовой Вселенной были известны задолго до того, как теоретики собрали всю её картину воедино.

Спектр видимого света Солнца, который помогает нам понять не только его температуру и ионизацию, но и обилие присутствующих элементов. Длинные толстые линии — это водород и гелий, все остальные линии принадлежат более тяжёлым элементам. Многие линии поглощения, представленные на диаграмме, расположены очень близко друг к другу. Это работа тонкой структуры, которая может разделить два вырожденных энергетических уровня на близко расположенные, но отличные друг от друга.
Спектр видимого света Солнца, который помогает нам понять не только его температуру и ионизацию, но и обилие присутствующих элементов. Длинные толстые линии — это водород и гелий, все остальные линии принадлежат более тяжёлым элементам. Многие линии поглощения, представленные на диаграмме, расположены очень близко друг к другу. Это работа тонкой структуры, которая может разделить два вырожденных энергетических уровня на близко расположенные, но отличные друг от друга.

В 1912 году Нильс Бор предложил свою знаменитую модель атома, в которой электроны вращались вокруг атомного ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Однако существенная разница между моделью Бора и нашей Солнечной системой заключалась в том, что в атоме могут существовать только определённые состояния, в то время как планеты могут вращаться вокруг Солнца, имея любую комбинацию скорости и радиуса, которая даёт стабильную орбиту.

Бор понимал, что электрон и ядро очень малы, у них противоположные заряды, и что практически вся масса находится в ядре. Его новаторский вклад заключается в том, что электроны могут занимать только определённые энергетические уровни, которые он назвал «атомными орбиталями». Электрон может вращаться только вокруг ядра с определёнными свойствами – это даёт линии поглощения и излучения, характерные для каждого отдельного атома.

 Когда свободные электроны рекомбинируют с ядрами водорода, электроны каскадом спускаются вниз по энергетическим уровням, испуская при этом фотоны. Чтобы в ранней Вселенной образовались стабильные нейтральные атомы, они должны были достичь основного состояния, не испуская потенциально ионизирующих ультрафиолетовых фотонов. Модель атома Бора описывает грубую структуру энергетических уровней, но и её уже всё равно было недостаточно для описания того, что наблюдалось десятилетиями ранее.
Когда свободные электроны рекомбинируют с ядрами водорода, электроны каскадом спускаются вниз по энергетическим уровням, испуская при этом фотоны. Чтобы в ранней Вселенной образовались стабильные нейтральные атомы, они должны были достичь основного состояния, не испуская потенциально ионизирующих ультрафиолетовых фотонов. Модель атома Бора описывает грубую структуру энергетических уровней, но и её уже всё равно было недостаточно для описания того, что наблюдалось десятилетиями ранее.

Эта модель, какой бы блестящей и умной она ни была, сразу же не смогла воспроизвести экспериментальные результаты XIX века. Ещё в 1887 году Майкельсон и Морли определили свойства атомарного излучения и поглощения водорода, и они не вполне соответствовали предсказаниям атома Бора.

Те же учёные, которые установили, что нет никакой разницы в скорости света, движется ли он по направлению, против или перпендикулярно движению Земли, также измерили спектральные линии водорода точнее, чем кто-либо до этого. Хотя модель Бора была близка к этому, результаты Майкельсона и Морли продемонстрировали небольшие сдвиги и дополнительные энергетические состояния, которые незначительно, но существенно отличались от предсказаний Бора. В частности, некоторые энергетические уровни, казалось, расщеплялись на два, там, где модель Бора предсказывала только один.

 В боровской модели атома водорода только орбитальный угловой момент точечного электрона вносит вклад в энергетические уровни. Добавление релятивистских эффектов и спиновых эффектов не только вызывает сдвиг этих энергетических уровней, но и приводит к расщеплению вырожденных уровней на множество состояний, раскрывая тонкую структуру материи поверх грубой структуры, предсказанной Бором.
В боровской модели атома водорода только орбитальный угловой момент точечного электрона вносит вклад в энергетические уровни. Добавление релятивистских эффектов и спиновых эффектов не только вызывает сдвиг этих энергетических уровней, но и приводит к расщеплению вырожденных уровней на множество состояний, раскрывая тонкую структуру материи поверх грубой структуры, предсказанной Бором.

Эти дополнительные энергетические уровни, расположенные очень близко друг к другу и также близко к предсказаниям Бора, стали первым свидетельством того, что мы сейчас называем тонкой структурой атомов. Модель Бора, упрощённо представлявшая электроны как заряженные бесспиновые частицы, вращающиеся вокруг ядра со скоростями, намного меньшими скорости света, успешно объясняла грубую структуру атомов, но не эту дополнительную тонкую структуру.

Для этого потребовалось ещё одно достижение, которое пришло в 1916 году, когда физик Арнольд Зоммерфельд вдруг кое-что понял. Если смоделировать атом водорода, как это сделал Бор, но взять отношение скорости электрона в основном состоянии и сравнить его со скоростью света, то получится очень конкретное значение, которое Зоммерфельд назвал α: постоянная тонкой структуры. Эта константа, если её правильно подставить в уравнения Бора, могла точно учесть разницу в энергии между предсказаниями грубой и тонкой структуры.

 Переохлаждённый источник дейтерия, как показано здесь, демонстрирует не просто дискретные уровни, а рябь, которая идёт поверх стандартной конструктивной/деструктивной интерференционной картины. Этот дополнительный эффект ряби является следствием тонкой структуры материи.
Переохлаждённый источник дейтерия, как показано здесь, демонстрирует не просто дискретные уровни, а рябь, которая идёт поверх стандартной конструктивной/деструктивной интерференционной картины. Этот дополнительный эффект ряби является следствием тонкой структуры материи.

Можно выразить её через другие константы, известные в то время, α = e^2/(4πε_0)ħc, где:

  • e — заряд электрона,

  • ε_0 — электромагнитная постоянная для проницаемости свободного пространства,

  • ħ — постоянная Планка,

  • c — скорость света.

В отличие от других констант, у которых есть единицы измерения, α — это реально безразмерная константа, то есть это просто число, не имеющее никаких единиц измерения. В то время как скорость света может быть разной, если вы измеряете её в метрах в секунду, футах в год, милях в час или любых других единицах, α всегда имеет одно и то же значение. По этой причине она считается одной из фундаментальных констант, описывающих нашу Вселенную.

 Уровни энергии и волновые функции электронов, соответствующие различным состояниям в атоме водорода, хотя эти конфигурации у разных атомов чрезвычайно похожи друг на друга. Уровни энергии квантованы в кратных величинах постоянной Планка, но размеры орбиталей и атомов определяются энергией основного состояния и массой электрона. Дополнительные эффекты могут быть малозаметными, но смещают энергетические уровни в измеримых, поддающихся количественной оценке модах.
Уровни энергии и волновые функции электронов, соответствующие различным состояниям в атоме водорода, хотя эти конфигурации у разных атомов чрезвычайно похожи друг на друга. Уровни энергии квантованы в кратных величинах постоянной Планка, но размеры орбиталей и атомов определяются энергией основного состояния и массой электрона. Дополнительные эффекты могут быть малозаметными, но смещают энергетические уровни в измеримых, поддающихся количественной оценке модах.

Уровни энергии атома не получится правильно разметить без учёта этих эффектов тонкой структуры, и этот факт всплыл через десятилетие после Бора, когда на сцену вышло уравнение Шрёдингера. Так же, как модель Бора не смогла правильно воспроизвести энергетические уровни атома водорода, так и уравнение Шрёдингера оказалось неэффективным. Быстро выяснилось, что на это есть три причины.

  1. Уравнение Шрёдингера по своей сути нерелятивистское, но электроны и другие квантовые частицы могут двигаться со скоростью, близкой к скорости света, и этот эффект необходимо учитывать.

  2. Электроны не просто вращаются по орбитам атомов, они также обладают присущим им угловым моментом: спином со значением ħ/2, который может быть либо выровнен, либо не выровнен с остальным угловым моментом атома.

  3. Электроны также демонстрируют присущие их движению квантовые флуктуации, известные как zitterbewegung [«дрожащее движение»]; это также вносит свой вклад в тонкую структуру атомов.

Если учесть все эти эффекты, можно успешно воспроизвести как грубую, так и тонкую структуру материи.

В отсутствие магнитного поля энергетические уровни различных состояний внутри атомной орбитали идентичны (L). Однако если приложить магнитное поле (R), состояния расщепляются в соответствии с эффектом Зеемана. Здесь мы видим зеемановское расщепление дублетного перехода P-S. Другие типы расщепления происходят из-за спин-орбитальных взаимодействий, релятивистских эффектов и взаимодействий с ядерным спином, что порождает к тонкую и гипертонкую структуру вещества.
В отсутствие магнитного поля энергетические уровни различных состояний внутри атомной орбитали идентичны (L). Однако если приложить магнитное поле (R), состояния расщепляются в соответствии с эффектом Зеемана. Здесь мы видим зеемановское расщепление дублетного перехода P-S. Другие типы расщепления происходят из-за спин-орбитальных взаимодействий, релятивистских эффектов и взаимодействий с ядерным спином, что порождает к тонкую и гипертонкую структуру вещества.

Причина, по которой эти поправки так малы, заключается в том, что значение константы тонкой структуры, α, также очень мало. Согласно нашим лучшим современным измерениям, значение α = 0,007297352569, где неопределённой является только последняя цифра. Это значение очень близкое к точной дроби: α = 1/137. Когда-то считалось, что эта константа реально равняется точной дроби, но более совершённые теоретические и экспериментальные исследования показали, что эта связь неточна, и что α = 1/137.0359991, где опять же неопределённой является только последняя цифра.

 21-сантиметровая линия водорода возникает, когда атом водорода, содержащий комбинацию протонов и электронов с выровненными спинами (вверху), меняет спины на противоположные (внизу), испуская один конкретный фотон с очень характерной длиной волны. Конфигурация с противоположными спинами на энергетическом уровне n=1 представляет собой основное состояние водорода, но его нулевая энергия имеет конечное, ненулевое значение. Этот переход является частью гипертонкой структуры материи, выходящей даже за рамки тонкой структуры, которую мы чаще всего наблюдаем.
21-сантиметровая линия водорода возникает, когда атом водорода, содержащий комбинацию протонов и электронов с выровненными спинами (вверху), меняет спины на противоположные (внизу), испуская один конкретный фотон с очень характерной длиной волны. Конфигурация с противоположными спинами на энергетическом уровне n=1 представляет собой основное состояние водорода, но его нулевая энергия имеет конечное, ненулевое значение. Этот переход является частью гипертонкой структуры материи, выходящей даже за рамки тонкой структуры, которую мы чаще всего наблюдаем.

Однако даже учёт всех этих эффектов не даёт полного представления об атомах. Существует не только грубая структура (из электронов, вращающихся вокруг ядра) и тонкая структура (из релятивистских эффектов, спина электрона и квантовых флуктуаций электрона), но и гипертонкая структура: взаимодействие электрона с ядерным спином. Например, спин-флип переход атома водорода — самая узкая спектральная линия, известная в физике, и она обусловлена этим гипертонким эффектом, который выходит за рамки даже тонкой структуры.

 Свет сверхдалеких квазаров служит космической лабораторией для измерения не только газовых облаков, с которыми они сталкиваются на своём пути, но и межгалактической среды, содержащей тёплую и горячую плазму за пределами скоплений, галактик и нитей. Поскольку точные свойства эмиссионных или абсорбционных линий зависят от постоянной тонкой структуры, это один из лучших методов исследования Вселенной на предмет временных или пространственных вариаций постоянной тонкой структуры.
Свет сверхдалеких квазаров служит космической лабораторией для измерения не только газовых облаков, с которыми они сталкиваются на своём пути, но и межгалактической среды, содержащей тёплую и горячую плазму за пределами скоплений, галактик и нитей. Поскольку точные свойства эмиссионных или абсорбционных линий зависят от постоянной тонкой структуры, это один из лучших методов исследования Вселенной на предмет временных или пространственных вариаций постоянной тонкой структуры.

Но постоянная тонкой структуры, α, представляет огромный интерес для физики. Некоторые исследовали вопрос о том, не может ли она быть абсолютно постоянной. Различные измерения в разные периоды нашей научной истории указывали на то, что α может меняться со временем или от места к месту во Вселенной. Измерения спектральных линий водорода и дейтерия в некоторых случаях показали, что, возможно, α меняется на ~0,0001 % в пространстве или во времени.

Эти первые результаты, однако, не выдержали независимой проверки и рассматриваются большинством физического сообщества как сомнительные. Если бы мы когда-нибудь убедились в том, что такие изменения существуют, то это бы показало нам, что то, что мы считаем неизменным во Вселенной — например, заряд электрона, постоянная Планка или скорость света — на самом деле может не быть постоянным в пространстве или времени.

 Диаграмма Фейнмана, представляющая электрон-электронное рассеяние, которое требует суммирования по всем возможным историям взаимодействий между частицами. Идея о том, что позитрон — это электрон, движущийся назад во времени, возникла в результате сотрудничества Фейнмана и Уилера, но сила взаимодействия при рассеянии зависит от энергии и определяется постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.
Диаграмма Фейнмана, представляющая электрон-электронное рассеяние, которое требует суммирования по всем возможным историям взаимодействий между частицами. Идея о том, что позитрон — это электрон, движущийся назад во времени, возникла в результате сотрудничества Фейнмана и Уилера, но сила взаимодействия при рассеянии зависит от энергии и определяется постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.

Однако на самом деле был воспроизведён другой тип вариаций: α меняется в зависимости от энергетических условий, в которых вы проводите эксперименты.

Давайте подумаем, почему это так, представив себе другой способ взглянуть на тонкую структуру Вселенной: возьмём два электрона и удержим их на определённом расстоянии друг от друга. Постоянную тонкой структуры, α, можно представить как соотношение между энергией, необходимой для преодоления электростатического отталкивания, раздвигающего эти электроны, и энергией одного фотона, длина волны которого равна 2π, умноженной на расстояние между электронами.

Однако в квантовой Вселенной всегда существуют пары частица-античастица (или квантовые флуктуации), которые заполняют даже абсолютно пустое пространство. При высоких энергиях это изменяет силу электростатического отталкивания между двумя электронами.

 Визуализация квантовой хромодинамики иллюстрирует, как пары частица/античастица появляются из квантового вакуума на очень малые промежутки времени вследствие неопределённости Гейзенберга. Квантовый вакуум интересен тем, что он требует, чтобы пустое пространство само по себе не было таким уж пустым, а было заполнено всеми частицами, античастицами и полями в различных состояниях, которые требуются квантовой теорией поля, описывающей нашу Вселенную.
Визуализация квантовой хромодинамики иллюстрирует, как пары частица/античастица появляются из квантового вакуума на очень малые промежутки времени вследствие неопределённости Гейзенберга. Квантовый вакуум интересен тем, что он требует, чтобы пустое пространство само по себе не было таким уж пустым, а было заполнено всеми частицами, античастицами и полями в различных состояниях, которые требуются квантовой теорией поля, описывающей нашу Вселенную.

Причина на самом деле проста: самые лёгкие заряженные частицы в Стандартной модели — это электроны и позитроны, и при низких энергиях виртуальные вклады электрон-позитронных пар — единственные квантовые эффекты, которые имеют значение для силы электростатики. Но при более высоких энергиях становится не только легче создавать электрон-позитронные пары, но и появляется дополнительный вклад от более тяжёлых комбинаций частиц и античастиц.

При тех (обыденных) низких энергиях, которые мы имеем в нашей Вселенной сегодня, α составляет примерно 1/137. Но в электрослабых масштабах, где находятся самые тяжёлые частицы, такие как W, Z, бозон Хиггса и топ-кварк, α несколько больше: скорее 1/128. С практической точки зрения благодаря этим квантовым вкладам заряд электрона как будто увеличивается.

 Благодаря кропотливой работе физиков-теоретиков магнитный момент мюона был рассчитан до пятипетлевого порядка. Теоретические неопределённости теперь находятся на уровне всего лишь одной части на два миллиарда. Это огромное достижение, которое может быть сделано только в контексте квантовой теории поля и в значительной степени зависит от постоянной тонкой структуры и её приложений.
Благодаря кропотливой работе физиков-теоретиков магнитный момент мюона был рассчитан до пятипетлевого порядка. Теоретические неопределённости теперь находятся на уровне всего лишь одной части на два миллиарда. Это огромное достижение, которое может быть сделано только в контексте квантовой теории поля и в значительной степени зависит от постоянной тонкой структуры и её приложений.

Постоянная тонкой структуры, α, также играет важную роль в одном из самых важных экспериментов, проводимых сегодня в современной физике: попытке измерить собственный магнитный момент фундаментальных частиц. Для точечной частицы, такой как электрон или мюон, существует всего несколько факторов, определяющих её магнитный момент:

  • электрический заряд частицы (ему он прямо пропорционален),

  • спин частицы (ему он прямо пропорционален),

  • масса частицы (ему она обратно пропорциональна),

  • и константа, известная как g, которая является чисто квантовомеханическим эффектом.

В то время как первые три величины известны досконально, g известно лишь с точностью чуть лучше, чем одна часть на миллиард. Это может показаться очень хорошим измерением, но мы пытаемся измерить его с ещё большей точностью по очень веской причине.

 Это надгробие Джулиана Сеймура Швингера на кладбище Mt Auburn в Кембридже, штат Массачусетс. Формула — это поправка к «g/2», которую он впервые вычислил в 1948 году. Он считал её своим лучшим результатом.
Это надгробие Джулиана Сеймура Швингера на кладбище Mt Auburn в Кембридже, штат Массачусетс. Формула — это поправка к «g/2», которую он впервые вычислил в 1948 году. Он считал её своим лучшим результатом.

Ещё в 1930 году мы думали, что g будет равно 2, в точности как вывел Дирак. Но при этом игнорируется квантовый обмен частицами (или вклад петлевых диаграмм), который начинает проявляться только в квантовой теории поля. Поправка первого порядка была выведена Юлианом Швингером в 1948 году, который утверждал, что g = 2 + α/π. На сегодняшний день мы вычислили все вклады до 5-го порядка, то есть нам известны все члены (α/π), а также члены (α/π)², (α/π)³, (α/π)⁴ и (α/π)⁵.

Мы можем измерить g экспериментально и рассчитать его теоретически, и тогда, что очень любопытно, мы обнаружим, что совпадение между этими двумя величинами очень близко, но не идеально. Разница между g, полученным экспериментально и теоретически, очень и очень мала: 0,0000000052, с неопределённостью около ±0,0000000010: разница в 5,2 сигмы. Однако второй, теоретический метод даёт гораздо меньшую разницу, что говорит о том, что это у теории есть какие-то проблемы; всё, конечно же, решат эксперименты.

Если разница действительно есть, то мы можем оказаться на пороге новой, выходящей за рамки Стандартной модели физики; если нет, то мы узнаем кое-что о наших теоретических предположениях.

 Электромагнит Muon g-2 в Фермилабе, готовый принять пучок мюонных частиц. Этот эксперимент начался в 2017 году и продолжает получать данные, значительно уменьшив неопределённость в экспериментальных значениях. Теоретически мы можем вычислить ожидаемое значение пертурбативно, через суммирование диаграмм Фейнмана, и получим значение, которое расходится с экспериментальными результатами. Непертурбативные расчёты с помощью Lattice QCD, похоже, согласуются с экспериментом, что, однако, усугубляет загадку аномального магнитного момента мюона.
Электромагнит Muon g-2 в Фермилабе, готовый принять пучок мюонных частиц. Этот эксперимент начался в 2017 году и продолжает получать данные, значительно уменьшив неопределённость в экспериментальных значениях. Теоретически мы можем вычислить ожидаемое значение пертурбативно, через суммирование диаграмм Фейнмана, и получим значение, которое расходится с экспериментальными результатами. Непертурбативные расчёты с помощью Lattice QCD, похоже, согласуются с экспериментом, что, однако, усугубляет загадку аномального магнитного момента мюона.

Когда мы делаем всё возможное, чтобы измерить Вселенную — с большей точностью, при высоких энергиях, при необычайном давлении, при низких температурах и т. д., — мы часто обнаруживаем сложные, богатые и загадочные детали. Однако не дьявол кроется в этих деталях, а, скорее, именно в них кроются самые глубокие тайны реальности.

Частицы в нашей Вселенной — это не просто точки, которые притягиваются, отталкиваются и связываются друг с другом; они взаимодействуют всеми тонкими способами, которые только допускают законы природы. По мере того как мы достигаем большей точности измерений, мы начинаем открывать эти тонкие эффекты, включая хитросплетения структуры материи, которые легко упустить при низкой точности. Тонкая структура является жизненно важной частью этого, но изучение того, где даже наши лучшие предсказания тонкой структуры отказываются работать, может стать следующей великой революцией в физике частиц. Единственный способ узнать это — проводить правильные эксперименты.

Комментарии (77)


  1. mrprogre
    28.12.2024 12:58


  1. RoasterToaster
    28.12.2024 12:58

    Про 137 всё просто, последнее уточнение теории одного электрона говорит, что он не один,а их ровно 137. С Наступающим!


  1. NickDoom
    28.12.2024 12:58

    Почти понимаю.

    Почти понимаю.

    Почти понимаю.

    Почти понимаю.

    Почти понимаю…

    …но электрон ещё и взаимодействует с ядерным спином

    Ахаха электрон что ты делаешь прекрати


    1. loly_girl
      28.12.2024 12:58

      Но очень интересно.


  1. nerudo
    28.12.2024 12:58

    Мне всегда нравилось у физиков, как они смело сокращают и округляют. Правда потом теория относительности с квантовой не сходится и приходится темную массу добавлять. Зато формулы изящные получаются.


    1. BugM
      28.12.2024 12:58

      Мир так устроен. Всегда есть что-то маленькое и не важное для конкретной штуки. У нас обычная гидродинамика только численно сходится в сложных системах. А на ней дофига реальных вещей работает.

      Потом оно может и не сойдется, но текущая теория вероятно может быть правильной для вот таких условий. Или нет, так тоже бывает. Но верные теории получаются чаще.


      1. dv0ich
        28.12.2024 12:58

        Мир так устроен

        Не мир, а человеческое мышление, которое не может учитывать всё разом.

        В мире, похоже, влияет всё на всё.


        1. Chetverh
          28.12.2024 12:58

          Это как рефлексы в живописи - от всего на всём (по крайней мере, рядом).


    1. Q3_Results
      28.12.2024 12:58

      Реверс-инжиниринг физических законов природы


      1. Genry79
        28.12.2024 12:58

        Забавно, интересно, но законы природы не умею пока к сожалению, только что по проще.


    1. papa_inura
      28.12.2024 12:58

      Меня в институте сразу научили, что физика - это наука о том, чем можно пренебречь.


    1. Dm_Dm
      28.12.2024 12:58

      Формулу Вайцзеккера посмотрите, вот где изящество подгонки


  1. 0x1A4
    28.12.2024 12:58

    Однако существенная разница между моделью Бора и нашей Солнечной системой заключалась в том, что в атоме могут существовать только определённые состояния, в то время как планеты могут вращаться вокруг Солнца, имея любую комбинацию скорости и радиуса, которая даёт стабильную орбиту.

    Могут, но не долго. В Солнечной системе орбиты планет тоже не какие попало, а каждая (за исключением Нептуна) находится на своем месте согласно правилу Тициуса — Боде, это еще в 18 веке выяснили. Планеты связаны друг с другом множеством орбитальных резонансов и потому система не разваливается.


    1. BugM
      28.12.2024 12:58

      Вроде опровергли уже? Пронаблюдали кучу других систем, где правило не соблюдается. Вероятность таких систем повышена, но не более того.


      1. 0x1A4
        28.12.2024 12:58

        Наоборот, все больше подтверждений, что правило работает. Конкретно правило Тициуса — Боде работает только для планет Солнечной системы. Но на его основе вывели обобщенное правило и оно работает и для экзопланет, и для спутников Юпитера и Стаурна, и для объектов в поясе Койпера.

        Было обнаружено, что из 27 отобранных для анализа систем 22 системы удовлетворяют взаимным соотношениям радиусов орбит даже лучше, чем Солнечная система, 2 системы подходят под правило примерно как Солнечная, у 3 систем правило работает хуже Солнечной. (2013 г.)

        Согласно уточнённой проверке M. B. Altaie, Zahraa Yousef, A. I. Al-Sharif (2016 г.), для 43 экзопланетных систем, содержащих четыре или более планеты, соотношение Тициуса — Боде выполняется с высокой точностью при условии изменения масштабов радиусов орбит.

        Современные статистические данные (2020 год) по экзопланетным орбитам убедительно указывают на общее выполнение законов, подобных Тициусу – Боде (то есть экспоненциального увеличения больших полуосей в зависимости от номера планеты) во всех экзопланетных системах и для всех известных систем экзопланет, для которых известна величины полуосей

        А еще попадаются звездные системы вроде TOI-178. В ней 5 из 6 планет находятся в орбитальном резонансе 18:9:6:4:3, что можно представить в виде гармоничной музыки.


        1. ImagineTables
          28.12.2024 12:58

          А еще попадаются звездные системы вроде TOI-178. В ней 5 из 6 планет находятся в орбитальном резонансе 18:9:6:4:3, что можно представить в виде гармоничной музыки.

          Почему-то звучит как человеческая музыка.


          1. vanxant
            28.12.2024 12:58

            Ну так про музыку небесных сфер писали ещё древние греки


    1. adeshere
      28.12.2024 12:58

      Добавлю до кучи сюда работу А.М.Молчанова, где была предпринята одна из первых (в современное время) попыток осмысления этого резонанса: Молчанов А.М. Резонансы в многочастотных колебаниях // Докл. АН СССР. 1966. Т. 168, № 2. С. 284–287.
      По мнению ее автора, планетные резонансы совсем не случайны. Просто такое устойчивое состояние формируется достаточно медленно (требуется огромное количество оборотов планет вокруг звезды).

      Кстати, если перейти к безразмерным единицам (когда время измеряется числом "оборотов" планет/электронов вокруг "центрального тела"), то время жизни атомов в возбужденном состоянии (характерный масштаб Е-7с) составит миллиарды условных "лет" планетной системы. После этого замечания аналогия между "возбужденными" планетными системами (где нет орбитального резонанса) и атомами

      перестает казаться такой уж поверхностной

      Насколько я помню, в самой статье А.М. Молчанова этой темы вроде бы нет, но идея почти наверняка его. В свое время у меня была возможность общаться с его коллегой С.Э.Шнолем (у нас в Пущино школьников постоянно звали в разные институты, много интересного там рассказывали, и на любые вопросы с удовольствием отвечали). Насколько я помню, про орбитальные резонансы я именно после этих рассказов задумался.

      P.S. В elibrary полного текста процитированной выше статьи сейчас нет, но если кто-то заинтересуется темой, у меня где-то в архивах должна быть бумажная копия. Пишите в личку (либо ответом на это сообщение): попробую найти-отсканировать.


  1. MasterOgon
    28.12.2024 12:58

    Где-то там и привидения наверное шастают. Но как изучить эффекты на порядки меньше частиц?


  1. JoshMil
    28.12.2024 12:58

    Пожалуйста - не удаляйте эту статью. Я еще не дочитал.


  1. MAXH0
    28.12.2024 12:58

    Слушал на Ютубе лекцию одного физика. Он рассказывал:

    В физике очень много сложной математики. Когда читаешь популярные лекции, приходится всю эту математику оставлять за кадром. И большинство считают - что вот это и есть физика.


    1. AndronNSK
      28.12.2024 12:58

      Почему так не делают, когда читают радио физику или антенно-фидерные устройства :(


      1. Galy4a
        28.12.2024 12:58

        РЭФ НГТУ?)


        1. AndronNSK
          28.12.2024 12:58

          Он)


  1. IvanBodhidharma
    28.12.2024 12:58

    Электроны не просто вращаются по орбитам атомов, они также обладают присущим им угловым моментом: спином со значением ħ/2, который может быть либо выровнен, либо не выровнен с остальным угловым моментом атома.

    Семихатов в своих лекциях неоднократно говорил, что электроны в атоме не вращаются вокруг ядра ни по каким орбитам. У электрона в атоме отсутствует свойство "координата".


    1. K1804
      28.12.2024 12:58

      Максимум радиальной компоненты волновой функции электрона в атоме имеет вполне определённое значение, а дальше резко убывает. Так что понятие орбитали (орбиты) вполне имеет смысл, например водород.


      1. ingrain
        28.12.2024 12:58

        Она потому не называется орбитой, что вращения нет, поэтому орбиты нет. Отдалённая аналогия: планета появляется в каждый момент времени на некотором расстоянии от звезды, как бы мелькает то там, то сям в черте геометрического места точек, удовлетворяющего уравнению, графическая интепретация которого приближённо напоминает форму элипса

        Но с электроном ещё интереснее, потому что не является сосредоточенным "шариком". Но и облаком он тоже не является, хотя моделируют его именно отталкиваясь от понятия облака. Электрон вообще не является, и уже пожтому никогда у него нет орбиты, вне зависимости от значений той или иной компоненты волновой функции. Да и к волновой функции есть вопросики, но оставим


        1. kaptnemo
          28.12.2024 12:58

          На самом деле орбитали высоковозбуждённых (ридберговских) атомов с большим орбитальным квантовым числом вполне себе напоминают классическую орбиту; например, в атоме водорода с n=1000 и l=999 орбиталью будет не облако, а слегка размытая окружность. Правда, это уже почти макроскопическая система (диаметр ~0,1 мм).


          1. ingrain
            28.12.2024 12:58

            вполне себе напоминают классическую орбиту;

            речь выше не про то, что напоминает, а чем является. Мой поинт: нет вращения — нет траектории, следовательно и орбиты. Если верно вас понимаю, то и вы согласны с тем, что вращения нет по орбитали

            Замечание ваше интересное, но как будто не очень добавляет к теме этой ветки


    1. BugM
      28.12.2024 12:58

      Вполне себе имеет. Поле вероятностей довольно резко меняется. В каких-то случаях можно рассматривать самое вероятное положение и не рассматривать другие. И это будет работать и будет удобно для расчетов, опять в каких-то случаях.


      1. vadimr
        28.12.2024 12:58

        Поле вероятностей меняется в зависимости от расстояния электрона от ядра, но не от аргумента орбиты (гипотетического углового положения электрона).

        "Орбита" подразумевает, что есть какое-то вращение вокруг ядра, движение по замкнутой траектории. А тогда это движение было бы ускоренным, и электрону пришлось бы излучать кванты энергии, и он очень быстро весь кончился бы.

        А орбитали, конечно, есть.


        1. K1804
          28.12.2024 12:58

          И от углов тоже меняется, волновая функция будет произведением радиальной части на так называемые сферические функции Y lm(theta, phi), которые для разных орбитального l и магнитного m выглядят так


          1. vadimr
            28.12.2024 12:58

            Я думаю, здесь просто искусственно показано вращение, чтобы показать трёхмерную картину с разных сторон.

            Иначе встаёт вопрос, чему равна скорость этого вращения? И почему нет излучения на соответствующей частоте.


        1. BugM
          28.12.2024 12:58

          Не придирайтесь. Про орбиты электронов в терминах вращается говорить и думать давно перестали. Сейчас про это говорят в классе 9 в школе примерно.

          Слово орбиталь неудачное. Оно плохо на русский язык ложится. Удобнее добавить смысла и контекста в слово орбита. По контексту понятно о каком явлении речь идет.

          Слова и термины не должны быть глобально однозначными. Лучше чтобы они были однозначными в имеющем смысл контексте. Но даже это не обязательно. Хотя для научных терминов крайне желательно. Те кто учит русский язык пусть страдают, сорри. Сильно упрощенный английский как международный язык и как язык для больших научных публикаций ок.


          1. vadimr
            28.12.2024 12:58

            Ну это то, что имел в виду Семихатов (как я его понял).


    1. Spaceoddity
      28.12.2024 12:58

      Вот это Семихатов выдал базу... И на что он ссылается? На корпускулярно-волновой дуализм? На принцип неопределённостей Гейзенберга?


      1. papa_inura
        28.12.2024 12:58

        Это стало понятно задолго до Семихватова, который просто на пересказывает вам школьные учебники, а передаёт более сложные концепции.


    1. Smartor
      28.12.2024 12:58

      Координата отсутствует, т.к. из уравнений движения просто убрали параметр "время". Получается стохастическое уравнение.
      Возможно, что орбиты у электронов физически существуют, но физикам проще представлять, что их нет:)