Οι φυσικοί μέτρησαν τον «μαγικό αριθμό» που καθορίζει το σύμπαν. Physicists Nail Down the ‘Magic Number’ That Shapes the Universe

Μια ομάδα φυσικών στο Παρίσι πραγματοποίησε την ακριβέστερη μέτρηση της σταθεράς λεπτής υφής, ‘σκοτώνοντας’ τις ελπίδες για την ανακάλυψη κάποιου νέου είδους δύναμης στη φύση. A team in Paris has made the most precise measurement yet of the fine-structure constant, killing hopes for a new force of nature. The fine-structure constant was introduced in 1916 to quantify the tiny gap between two lines in the spectrum of colors emitted by certain atoms. The closely spaced frequencies are seen here through a Fabry-Pérot interferometer. Computational Physics Inc.

Μια ομάδα φυσικών στο Παρίσι πραγματοποίησε την ακριβέστερη μέτρηση της σταθεράς λεπτής υφής, ‘σκοτώνοντας’ τις ελπίδες για την ανακάλυψη κάποιου νέου είδους δύναμης στη φύση.

Διάφορες εκφράσεις της σταθεράς λεπτής υφής. Η σταθερά αυτή είναι αδιάστατος αριθμός – δεν έχει μονάδες μέτρησης.

Η σταθερά λεπτής υφής συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα α και εκφράζει την ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Είναι αδιάστατη σταθερά και ισούται περίπου με 1/137 (παρά την «πίστη» του Arthrur Eddington, ότι η τιμή της ισούται ακριβώς με 1/137). Η τιμή αυτή φαίνεται μικρή όταν συγκρίνεται με την ισχύ των ισχυρών (πυρηνικών) δυνάμεων, αλλά πολύ μεγαλύτερη όταν συγκρίνεται με την ισχύ των ασθενών (πυρηνικών) δυνάμεων, και τεράστια αν συγκριθεί με την ισχύ των βαρυτικών δυνάμεων.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Forces/funfor.html

Από τις θεμελιώδεις παγκόσμιες σταθερές η ταχύτητα του φωτός c, απολαμβάνει την μεγαλύτερη δόξα. Όμως, η αριθμητική τιμή της ταχύτητας του φωτός δεν μας λέει τίποτα για την φύση. Η τιμή της διαφέρει ανάλογα με το αν μετράται σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο ή σε χιλιόμετρα ανά ώρα. Η σταθερά λεπτής υφής, αντίθετα, δεν έχει διαστάσεις ή μονάδες. Είναι ένας καθαρός αριθμός – «ένας ακατανόητος μαγικός αριθμός», σύμφωνα με τον Richard Feynman, ενώ ο Paul Dirac θεωρούσε την προέλευση του αριθμού αυτού ως «το πιο θεμελιώδες άλυτο πρόβλημα της φυσικής». Η σταθερά της λεπτής υφής είναι παντού, δεδομένου ότι χαρακτηρίζει την ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με την οποία αλληλεπιδρούν όλα τα φορτισμένα σωματίδια όπως ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Στον καθημερινό μας κόσμο, όλα είναι είτε βαρύτητα είτε ηλεκτρομαγνητισμός. Και γι‘ αυτό η σταθερά α είναι τόσο σημαντική.

Process for measuring the fine-structure constant. Morel et al. report a highly precise determination of the fine-structure constant — the physical constant that defines the strength of the electromagnetic force between elementary particles. a, In the measurement of this constant, a beam of light from a laser causes an atom to recoil. The red and blue colours correspond to the light wave’s peaks and troughs, respectively. The kinetic energy of the recoil is used to deduce the atom’s mass. b, The value of the atom’s mass is then combined with the precisely known ratio of the atom’s mass to the electron’s mass to infer the mass of an electron. c, Finally, the electron’s mass and the binding energy of a hydrogen atom are used to determine the fine-structure constant. The binding energy is known from spectroscopy, whereby light emitted from a hydrogen atom is analysed.

Οι φυσικοί θέλουν να μετρήσουν τη σταθερά λεπτής υφής όσο το δυνατόν ακριβέστερα. H ακριβής μέτρησή της επιτρέπει τον έλεγχο της θεωρίας που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων – το πολύπλοκο σύνολο εξισώσεων που είναι γνωστό ως Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Σε χτεσινή δημοσίευση στο περιοδικό Nature με τίτλο «Determination of the fine-structure constant with an accuracy of 81 parts per trillion» , μια ομάδα τεσσάρων φυσικών με επικεφαλής την Saïda Guellati-Khélifa στο Εργαστήριο Kastler Brossel στο Παρίσι ανέφερε την ακριβέστερη μέχρι σήμερα μέτρηση της σταθεράς λεπτής υφής. Η ομάδα μέτρησε την τιμή της σταθεράς μέχρι το 11ο δεκαδικό ψηφίο, βρίσκοντας την τιμή (στην εργασία αναφέρεται η τιμή του 1/α):

1/α=137.035999206(11)

με τα δύο τελευταία ψηφία να είναι αβέβαια. Το σφάλμα είναι ελάχιστο, μόλις 81 μέρη ανά τρισεκατομμύριο και η μέτρηση είναι περίπου τρεις φορές ακριβέστερη από την προηγούμενη καλύτερη μέτρηση του 2018 από την ομάδα Müller στο Berkeley. Η Guellati-Khélifa κατείχε το ρεκόρ ακριβέστερης μέτρησης πριν από τον Müller το 2011!

Η Saïda Guellati-Khélifa στο εργαστήριό της στο Παρίσι. Saïda Guellati-Khélifa in her laboratory in Paris. Jean-François Dars and Anne Papillaut

Η Guellati-Khélifa βελτιώνει το πείραμά της συνεχώς τα τελευταία 22 χρόνια(!). Προσδιορίζει την σταθερά λεπτής υφής, μελετώντας τις ανακρούσεις των ατόμων ρουβιδίου όταν απορροφούν ένα φωτόνιο. Ο Müller κάνει το ίδιο με τα άτομα καισίου. Ο Müller παραδέχθηκε τους ανταγωνιστές του, δηλώνοντας πως «μια μέτρηση τρεις φορές ακριβέστερη είναι πολύ μεγάλη υπόθεση. Ας μην ντρεπόμαστε λοιπόν να το ονομάσουμε ένα μεγάλο επίτευγμα.»

Η παλαιότερη μέτρηση του Müller 2018 είχε χαιρετιστεί ως ο μεγαλύτερος θρίαμβος του Καθιερωμένου Προτύπου. Το νέο αποτέλεσμα της Guellati-Khélifa είναι ακόμη μεγαλύτερος. Πρόκειται για την ακριβέστερη συμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος μέχρι σήμερα.

Πηγές: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2964-7 - https://www.nature.com/articles/d41586-020-03314-0 - https://www.quantamagazine.org/physicists-measure-the-magic-fine-structure-constant-20201202/ - https://physicsgg.me/2020/12/04/