Постоя́нная то́нкой структу́ры, обычно обозначаемая как , является фундаментальной физической постоянной, характеризующей силу электромагнитного взаимодействия. Она была введена в 1916 году немецким физиком Арнольдом Зоммерфельдом в качестве меры релятивистских поправок при описании атомных спектральных линий в рамках модели атома Бора, то есть характеризует так называемую тонкую структуру спектральных линий. Поэтому иногда она также называется постоянной Зоммерфельда.
Она определяет размер очень малого изменения величины (расщепления) энергетических уровней атома и, следовательно, образования тонкой структуры — набора узких и близких частот в его спектральных линиях, пропорционального . Расщепление происходит за счёт квантового эффекта — взаимодействия двух электронов атома в результате обмена между ними виртуальными фотонами, которое происходит с изменением энергии.
Постоянная тонкой структуры (ПТС) — это безразмерная величина, образованная комбинацией фундаментальных констант. Её численное значение не зависит от выбранной системы единиц.
На основании данных 2022 года CODATA рекомендует использовать следующее значение константы: = 7,297 352 5643(11)·10−3 или её обратное значение: 1/ = 137,035 999 177(21). Относительная погрешность измерения и 1/ составляет 1,5·10−10; это одна из наиболее точно измеренных физических констант.
В Международной системе единиц (СИ) постоянная тонкой структуры определяется следующим образом:
где — элементарный электрический заряд, — постоянная Дирака (или приведённая постоянная Планка), — скорость света в вакууме, — электрическая постоянная. В системе единиц СГСЭ единица электрического заряда определена таким образом, что электрическая постоянная равна единице. Тогда постоянная тонкой структуры определяется как
Постоянная тонкой структуры может быть также определена как квадрат элементарного электрического заряда, выраженного в единицах планковского заряда:
В рациональной системе единиц квадратный корень из постоянной тонкой структуры является единицей измерения электрического заряда.
Аналогичные постоянной тонкой структуры константы используются и для оценки силы сильных , слабых и гравитационных взаимодействий. Здесь — «заряд» сильного взаимодействия, — постоянная Ферми слабого взаимодействия, — масса протона, — гравитационная постоянная.
Физическая интерпретация Постоянная тонкой структуры является отношением двух энергий: энергии, необходимой, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание между двумя электронами, сблизив их с бесконечности до некоторого расстояния , и энергии фотона с длиной волны .
Исторически первой интерпретацией постоянной тонкой структуры, появившейся в работах Зоммерфельда, было отношение двух угловых моментов, которые возникают в теории движения электрона по кеплеровским орбитам, — так называемого предельного момента , который отвечает за движение перицентра при релятивистском рассмотрении, и момента , соответствующего первому квантовому состоянию. Позже, в своей известной книге «Строение атома и спектры», Зоммерфельд вводил как отношение скорости электрона на первой круговой орбите в боровской модели атома к скорости света. Эта величина использовалась далее для расчёта тонкого расщепления спектральных линий водородоподобных атомов.
В квантовой электродинамике постоянная тонкой структуры имеет значение константы взаимодействия, характеризующей силу взаимодействия между электрическими зарядами и фотонами. Её значение не может быть предсказано теоретически и вводится на основе экспериментальных данных. Постоянная тонкой структуры является одним из двадцати «внешних параметров» Стандартной модели в физике элементарных частиц.
Тот факт, что много меньше единицы, позволяет использовать в квантовой электродинамике теорию возмущений. Физические результаты в этой теории представляются в виде ряда по степеням , причём члены с возрастающими степенями становятся менее и менее важными. И наоборот, большая константа взаимодействия в квантовой хромодинамике делает вычисления с учётом сильного взаимодействия чрезвычайно сложными.
В теории электрослабого взаимодействия показано, что значение постоянной тонкой структуры (сила электромагнитного взаимодействия) зависит от характерной энергии рассматриваемого процесса. Утверждается, что постоянная тонкой структуры логарифмически растёт с увеличением энергии. Наблюдаемое значение постоянной тонкой структуры верно при энергиях порядка массы электрона. Характерная энергия не может принимать более низкие значения, так как электрон (как и позитрон) обладает самой маленькой массой среди заряженных частиц. Поэтому говорят, что — это значение постоянной тонкой структуры при нулевой энергии. Кроме того, тот факт, что по мере повышения характерных энергий электромагнитное взаимодействие приближается по силе к двум другим взаимодействиям, важен для теорий Великого объединения.
Если бы предсказания квантовой электродинамики были верны, то постоянная тонкой структуры принимала бы бесконечно большое значение при значении энергии, известном как полюс Ландау. Это ограничивает область применения квантовой электродинамики только областью применимости теории возмущений.
Непостоянство величины Исследование вопроса о том, действительно ли постоянная тонкой структуры является постоянной, то есть всегда ли она имела современное значение или менялась за время существования Вселенной, имеет долгую историю. Первые идеи такого рода появились в 1930-е годы, вскоре после открытия расширения Вселенной, и преследовали цель сохранить статическую модель Вселенной за счёт изменения фундаментальных констант со временем. Так, в статье Дж. и Б. Чалмерсов предлагалось объяснение наблюдаемого красного смещения спектральных линий галактик за счёт одновременного возрастания элементарного заряда и постоянной Планка (это должно приводить и к временно́й зависимости ). В ряде других публикаций предполагалось, что постоянная тонкой структуры остаётся неизменной при одновременной вариации составляющих её констант.
В 1938 году Поль Дирак в рамках своей гипотезы больших чисел предположил, что гравитационная постоянная может уменьшаться обратно пропорционально времени. В своём рассмотрении он считал истинной константой, однако отметил, что в будущем это может оказаться не так. Эта работа вызвала значительный интерес к данной проблеме, который сохраняется до сих пор. Следуя Дираку, вопрос о постоянной тонкой структуры рассмотрел Паскуаль Йордан и пришёл к выводу, что зависимость от времени должна вызывать сложные сдвиги спектральных линий. Поскольку такие сдвиги не наблюдаются, он отверг эту гипотезу. В 1948 году, пытаясь опровергнуть гипотезу Дирака, Эдвард Теллер упомянул возможность логарифмической зависимости , где — возраст Вселенной; аналогичные соотношения предлагались и позднее.
Серьёзной проверке вопрос об изменении постоянной тонкой структуры со временем был подвергнут в 1967 году. Инициатором выступил Георгий Гамов, который, отказываясь принять дираковскую идею об изменении гравитационной постоянной, заменил её гипотезой о вариации элементарного заряда и, как следствие, . Он также показал, что это предположение можно проверить наблюдениями тонкой структуры спектров удалённых галактик. Против предположения Гамова были выдвинуты возражения ядерно-физического и геологического характера, с которыми выступили Фримен Дайсон и Ашер Перес. Прямую экспериментальную проверку гипотезы Гамова предприняли Джон Бакал и Мартен Шмидт, измерившие дублеты тонкого расщепления пяти радиогалактик с красным смещением . Из опыта следовало отношение измеренного значения постоянной тонкой структуры к её лабораторной величине , что противоречило предсказанию в случае (см. также обзор). Гамов быстро признал своё поражение. Не выявили каких-либо изменений постоянной тонкой структуры и исследования природного ядерного реактора в Окло, проведённые в 1970-е годы и показавшие, что во время работы реактора (около 2 млрд лет назад) значение совпадало с современным. Все эти работы позволили установить весьма жёсткие ограничения на возможную скорость и характер изменения и других фундаментальных констант.
Тем не менее, к началу 2000-х годов усовершенствования в методиках астрономических наблюдений дали основание считать, что постоянная тонкой структуры, возможно, меняла своё значение с течением времени: анализ линий поглощения в спектрах квазаров позволил предположить, что относительная скорость изменения составляет около в год. Исследовались также последствия возможного изменения постоянной тонкой структуры для космологии. Однако более детальные наблюдения квазаров, сделанные в апреле 2004 года при помощи спектрографа UVES на одном из 8,2-метровых телескопов Паранальской обсерватории в Чили, показали, что возможное изменение не может быть больше, чем 0,6 миллионной доли () за последние 10 миллиардов лет (см. статьи и пресс-релизNew Quasar Studies Keep Fundamental Physical Constant Constant. // ESO Press Release, 31 March 2004.). Поскольку это ограничение противоречило более ранним результатам, то вопрос о том, постоянна ли , остался открытым.
В 2010 году при помощи телескопа VLT были получены новые указания на то, что постоянная тонкой структуры может не только уменьшаться со временем, но и возрастать, причём характер изменения зависит от направления, в котором ведётся наблюдение. Возможности такого пространственного изменения и других фундаментальных констант в настоящее время изучаются в литературе. Тем не менее, пока рано делать какие-либо окончательные выводы об обнаружении такого рода эффектов.
В 2014 году две группы исследователей сообщили о получении новых, более точных лабораторных ограничений на скорость изменения постоянной тонкой структуры. Прецизионные измерения частот некоторых квантовых переходов ионов иттербия позволили им прийти к следующим предельным значениям современной вариации : в год (Национальная физическая лаборатория, Великобритания) и в год (, Германия).
В 2018 году опубликованы данные измерений с помощью радиотелескопа Аресибо двух сопряжённых линий группы OH на длине волны 18 см в спектре объекта PKS 1413+135 (красное смещение примерно 0,247). Благодаря разной зависимости смещения линий от постоянной тонкой структуры и отношения масс протона и электрона удалось с хорошей точностью определить, что комбинация не менялась по крайней мере за последние 2,9 млрд лет См. также популярный обзор ..
Метаанализ данных астрофизических наблюдений, проведённый в 2017 году, дал для взвешенного среднего отклонения постоянной тонкой структуры от современного значения величину , что согласуется с предположением о нулевых вариациях постоянной. Данные последних лет также не подтверждают наличия предпочтительных направлений для изменения (пространственного диполя). Совместный анализ результатов наиболее свежих и надёжных (на 2017 год) лабораторных спектроскопических измерений в системах типа атомных часов даёт для современной скорости изменения постоянной тонкой структуры со временем величину в год, что свидетельствует об отсутствии вариаций при доступном уровне точности. Что касается теоретических объяснений возможного непостоянства и других фундаментальных констант, то современные подходы, как правило, основываются на введении дополнительных скалярных полей, использование которых накладывает ограничения на возможные космологические сценарии и в некоторых случаях позволяет одновременно описывать тёмную энергию. Примерами таких моделей, позволяющих учитывать вариации постоянной тонкой структуры и накладывать на них ограничения на основе космологических соображений, являются модели Бекенштейна, дилатонные, симметронныеУченые предложили новую теорию, чтобы объяснить странное расположение галактик-спутников Млечного Пути // hightech.fm, 19 мая 2022 и струнные модели и т. д.