Значение постоянной тонкой структуры — возможно, самой важной константы в природе, поскольку она определяет силу электромагнетизма — было измерено непосредственно исследователями в Австрии и США. Метод, который они использовали, включает измерение того, насколько вращается поляризация света при прохождении через магнитный топологический изолятор, и, хотя он не так точен, как другие методы, исследователи полагают, что его непосредственность может привести к более четким проверкам того, является ли эта предполагаемая постоянная меняется со временем.

Постоянная тонкой структуры, обозначаемая α, представляет собой безразмерное число с физической интерпретацией, которая развивалась вместе с пониманием физиками электромагнетизма. Когда Арнольд Зоммерфельд ввел его в 1916 году, это была скорость электрона на первой круговой орбите боровской модели атома, деленная на скорость света в вакууме. В квантовой электродинамике именно константа связи определяет силу взаимодействия между электронами и фотонами. Однако бесспорным остается его центральное место в физике и тот факт, что его нельзя рассчитать теоретически — это свободный параметр, который должен быть включен в Стандартную модель физики элементарных частиц. Его значение составляет около 1/137, и если бы оно было хоть немного другим — возможно, всего лишь 1/138, — это переписало бы правила химии и изменило звездный ядерный синтез настолько, что жизнь не могла бы существовать.

В поисках α

Поэтому физики стремятся как можно точнее определить α и, что особенно важно, установить, действительно ли оно оставалось постоянным на протяжении всей космологической истории. Самое точное измерение на сегодняшний день — 1/137.03599920611 с погрешностью 81 часть на триллион — было сделано с использованием отдачи атомов рубидия при ударе фотонами для измерения массы атомов. Другие исследователи измеряли его, используя магнитный момент электрона или крутящий момент, испытываемый электроном в магнитном поле, но все измерения на сегодняшний день были косвенными: «Вы измеряете несколько различных чисел, затем делите их или умножаете, а затем, наконец, вы получить постоянную тонкой структуры», объясняет Андрей Пименов Венского технологического университета (TU Wien), который руководил новым измерением.

Необходимость проведения нескольких измерений усложняет усилия по достижению более высокой точности и затрудняет интерпретацию неожиданных отклонений. «Представьте, что вы измеряете постоянную тонкой структуры и видите, что что-то изменилось», — говорит Пименов. «Если ваш эксперимент представлял собой комбинацию нескольких разных экспериментов, вы не знаете, какой конкретный эксперимент и какое конкретное число послужило причиной этого изменения».

Квантованные сдвиги поляризации

В последнем исследовании, опубликованном в Applied Physics Letters, Пименов и его коллеги из Технического университета Вены и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в США пропускали поляризованное терагерцовое излучение через топологический изолятор с химической формулой (Cr_0.12Bi_0.26Sb_0.62)₂Te₃ и наблюдали, как менялась его поляризация. Благодаря взаимодействию фотонов с электромагнитными полями приложение магнитного поля может вызвать вращение поляризации света. При высоких полях и низких температурах эти сдвиги поляризации квантуются — явление, известное как квантовый эффект Холла.

Величина этих квантованных сдвигов пропорциональна постоянной тонкой структуры, поэтому в принципе любой материал, демонстрирующий квантовый эффект Холла, может быть использован для его измерения. Но есть одна загвоздка: «В обычных случаях нужно применять огромные магнитные поля», — объясняет Пименов. Затем сила этого приложенного поля появляется в уравнениях, что затрудняет калибровку.

Однако материал, который использовали Пименов и его коллеги, содержит ионы хрома. Они придают материалу собственное магнитное поле, а это означает, что поляризация падающего электромагнитного излучения вращается даже без приложенного поля (квантовый аномальный эффект Холла). Более того, поскольку материал является топологическим изолятором, это магнитное поле является топологическим инвариантом. Следовательно, когда плоскополяризованный свет проходит через материал, его поляризация изменяется на точное целое число, кратное постоянной тонкой структуры. «Чтобы это доказать, нужно написать какие-то сложные топологические уравнения, но у вас не может быть 0.5α или 0.6α», — говорит Пименов. «Либо -1, либо +1».

«Только первый эксперимент»

Полученное Пименовым и его коллегами значение постоянной тонкой структуры, как и ожидалось, составило примерно 1/137. Однако он признает, что «наша точность не так хороша», потому что «это всего лишь первый эксперимент».

Сдвиг фундаментальных констант можно обнаружить по сжатию кристаллов

На вопрос об исследовании, Ли Ге из Городского университета Нью-Йорка, США, говорит, что находит это «интересным», хотя и добавляет, что «похоже, что исследователи уже получили большую часть своих выводов в предыдущая публикация». Поэтому Ге предполагает, что единственный новый результат в последней работе состоит в том, что правая часть одного уравнения пропорциональна постоянной тонкой структуры. Пименов, однако, утверждает, что работа представляет собой значительный прогресс: «Главный результат этой работы — возможность получить фундаментальную физическую константу в прямом эксперименте, который не зависит от каких-либо других измерений или калибровок», — говорит он. «Наоборот, в предыдущей работе не измерялись фундаментальные константы».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/physicists-measure-the-fine-structure-constant-directly-for-the-first-time/