Οι φυσικοί καρφώνουν τον «μαγικό αριθμό» που διαμορφώνει το σύμπαν
Επανεκτύπωση με άδεια από Quanta Το ιστολόγιο Abstractions του περιοδικού.
Καθώς προχωρούν οι θεμελιώδεις σταθερές, η ταχύτητα του φωτός, c , απολαμβάνει όλη τη φήμη, ωστόσο c Η αριθμητική τιμή του δεν λέει τίποτα για τη φύση. διαφέρει ανάλογα με το αν μετριέται σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο ή μίλια ανά ώρα. Η σταθερά λεπτής δομής, αντίθετα, δεν έχει διαστάσεις ή μονάδες. Είναι ένας καθαρός αριθμός που διαμορφώνει το σύμπαν σε εκπληκτικό βαθμό - «ένας μαγικός αριθμός που έρχεται σε εμάς χωρίς κατανόηση», όπως τον περιέγραψε ο Richard Feynman. Ο Paul Dirac θεώρησε την προέλευση του αριθμού «το πιο θεμελιώδες άλυτο πρόβλημα της φυσικής».
Αριθμητικά, η σταθερά λεπτής δομής, που συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα α (άλφα), πλησιάζει πολύ τον λόγο 1/137. Εμφανίζεται συνήθως σε τύπους που διέπουν το φως και την ύλη. «Είναι όπως στην αρχιτεκτονική, υπάρχει η χρυσή τομή», είπε ο Έρικ Κορνέλ, βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, στο Boulder και στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας. «Στη φυσική της ύλης χαμηλής ενέργειας –άτομα, μόρια, χημεία, βιολογία– υπάρχει πάντα μια αναλογία» μεγαλύτερων πραγμάτων προς μικρότερα πράγματα, είπε. "Αυτοί οι λόγοι τείνουν να είναι δυνάμεις της σταθεράς λεπτής δομής."
Η σταθερά είναι παντού γιατί χαρακτηρίζει την ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης που επηρεάζει φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια. «Στον καθημερινό μας κόσμο, τα πάντα είναι είτε βαρύτητα είτε ηλεκτρομαγνητισμός. Και γι' αυτό το άλφα είναι τόσο σημαντικό», είπε ο Χόλγκερ Μύλλερ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. Επειδή το 1/137 είναι μικρό, ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι αδύναμος. Ως αποτέλεσμα, φορτισμένα σωματίδια σχηματίζουν αέρινα άτομα των οποίων τα ηλεκτρόνια περιφέρονται σε απόσταση και απομακρύνονται εύκολα, επιτρέποντας χημικούς δεσμούς. Από την άλλη πλευρά, η σταθερά είναι επίσης αρκετά μεγάλη:Οι φυσικοί υποστήριξαν ότι αν ήταν κάτι σαν το 1/138, τα αστέρια δεν θα μπορούσαν να δημιουργήσουν άνθρακα και η ζωή όπως τη γνωρίζουμε δεν θα υπήρχε.
Οι φυσικοί λίγο-πολύ έχουν εγκαταλείψει μια αιωνόβια εμμονή για το από πού προέρχεται η ιδιαίτερη αξία του άλφα. Τώρα αναγνωρίζουν ότι οι θεμελιώδεις σταθερές θα μπορούσαν να είναι τυχαίες, αποφασισμένες σε κοσμικές ρίψεις ζαριών κατά τη γέννηση του σύμπαντος. Αλλά ένας νέος στόχος έχει αναλάβει.
Οι φυσικοί θέλουν να μετρήσουν τη σταθερά της λεπτής δομής όσο το δυνατόν ακριβέστερα. Επειδή είναι τόσο πανταχού παρόν, η μέτρησή του τους επιτρέπει να δοκιμάσουν τη θεωρία τους για τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων—το μεγαλειώδες σύνολο εξισώσεων που είναι γνωστό ως το Τυπικό μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων. Οποιαδήποτε ασυμφωνία μεταξύ εξαιρετικά ακριβών μετρήσεων σχετικών ποσοτήτων θα μπορούσε να υποδηλώνει νέα σωματίδια ή επιδράσεις που δεν υπολογίζονται από τις τυπικές εξισώσεις. Ο Cornell αποκαλεί αυτά τα είδη μετρήσεων ακριβείας έναν τρίτο τρόπο πειραματικής ανακάλυψης των θεμελιωδών λειτουργιών του σύμπαντος, μαζί με τους επιταχυντές σωματιδίων και τα τηλεσκόπια.
Σε ένα νέο έγγραφο στο Φύση , μια ομάδα τεσσάρων φυσικών με επικεφαλής τον Saïda Guellati-Khélifa στο Εργαστήριο Kastler Brossel στο Παρίσι ανέφερε την πιο ακριβή μέτρηση μέχρι τώρα της σταθεράς λεπτής δομής. Η ομάδα μέτρησε την τιμή της σταθεράς στο 11ο δεκαδικό ψηφίο, αναφέροντας ότι α =1/137,035999206.
Με περιθώριο σφάλματος μόλις 81 μέρη ανά τρισεκατομμύριο, η νέα μέτρηση είναι σχεδόν τρεις φορές πιο ακριβής από την προηγούμενη καλύτερη μέτρηση το 2018 από τον όμιλο του Müller στο Berkeley, τον κύριο διαγωνισμό. (Ο Guellati-Khélifa έκανε την πιο ακριβή μέτρηση πριν από αυτή του Müller το 2011.) Ο Müller είπε για τη νέα μέτρηση του άλφα του αντιπάλου του, «Ο συντελεστής τριών είναι μεγάλη υπόθεση. Ας μην ντρεπόμαστε να το ονομάσουμε μεγάλο επίτευγμα.»
Η Guellati-Khélifa βελτιώνει το πείραμά της τα τελευταία 22 χρόνια. Μετρά τη σταθερά της λεπτής δομής μετρώντας πόσο ισχυρά ανατρέπονται τα άτομα ρουβιδίου όταν απορροφούν ένα φωτόνιο. (Ο Müller κάνει το ίδιο με τα άτομα καισίου.) Η ταχύτητα ανάκρουσης αποκαλύπτει πόσο βαριά είναι τα άτομα ρουβιδίου—ο πιο δύσκολος παράγοντας να μετρηθεί σε έναν απλό τύπο για τη σταθερά λεπτής δομής. "Είναι πάντα η λιγότερο ακριβής μέτρηση που είναι το σημείο συμφόρησης, επομένως οποιαδήποτε βελτίωση σε αυτό οδηγεί σε βελτίωση της σταθεράς λεπτής δομής", εξήγησε ο Müller.
Οι πειραματιστές του Παρισιού ξεκινούν ψύχοντας τα άτομα του ρουβιδίου σχεδόν στο απόλυτο μηδέν και στη συνέχεια ρίχνοντάς τα σε θάλαμο κενού. Καθώς το νέφος των ατόμων πέφτει, οι ερευνητές χρησιμοποιούν παλμούς λέιζερ για να βάλουν τα άτομα σε μια κβαντική υπέρθεση δύο καταστάσεων – που κλωτσούνται από ένα φωτόνιο και όχι κλωτσιές. Οι δύο πιθανές εκδοχές κάθε ατόμου ταξιδεύουν σε ξεχωριστές τροχιές έως ότου περισσότεροι παλμοί λέιζερ φέρουν τα μισά της υπέρθεσης ξανά μαζί. Όσο περισσότερο ένα άτομο οπισθοχωρεί όταν κλωτσιέται από το φως, τόσο πιο εκτός φάσης είναι με την μη κλωτσιασμένη εκδοχή του εαυτού του. Οι ερευνητές μετρούν αυτή τη διαφορά για να αποκαλύψουν την ταχύτητα ανάκρουσης των ατόμων. «Από την ταχύτητα ανάκρουσης, εξάγουμε τη μάζα του ατόμου και η μάζα του ατόμου εμπλέκεται άμεσα στον προσδιορισμό της σταθεράς λεπτής δομής», είπε ο Guellati-Khélifa.
Σε τόσο ακριβή πειράματα, κάθε λεπτομέρεια έχει σημασία. Ο Πίνακας 1 της νέας εργασίας είναι ένας «προϋπολογισμός σφάλματος» που παραθέτει 16 πηγές σφαλμάτων και αβεβαιότητας που επηρεάζουν την τελική μέτρηση. Αυτά περιλαμβάνουν τη βαρύτητα και τη δύναμη Coriolis που δημιουργείται από την περιστροφή της Γης - τόσο ποσοτικά όσο και αντισταθμισμένα. Μεγάλο μέρος του προϋπολογισμού σφάλματος προέρχεται από αστοχίες του λέιζερ, το οποίο οι ερευνητές πέρασαν χρόνια για να τελειοποιήσουν.
Για τον Guellati-Khélifa, το πιο δύσκολο κομμάτι είναι να ξέρει πότε να σταματήσει και να δημοσιεύσει. Αυτή και η ομάδα της σταμάτησαν την εβδομάδα της 17ης Φεβρουαρίου 2020, τη στιγμή που ο κορωνοϊός κέρδιζε έδαφος στη Γαλλία. Ερωτηθείσα εάν αποφασίζει να δημοσιεύσει είναι σαν ένας καλλιτέχνης που αποφασίζει ότι ένας πίνακας έχει τελειώσει, ο Guellati-Khélifa είπε, «Ακριβώς. Ακριβώς. Ακριβώς."
Παραδόξως, η νέα της μέτρηση διαφέρει από το αποτέλεσμα του Müller του 2018 στο δέκατο ψηφίο, μια μεγαλύτερη απόκλιση από το περιθώριο σφάλματος κάθε μέτρησης. Αυτό σημαίνει - αποκλείοντας κάποια θεμελιώδη διαφορά μεταξύ του ρουβιδίου και του καισίου - ότι η μία ή και οι δύο μετρήσεις έχουν ένα απροσδιόριστο σφάλμα. Η μέτρηση του ομίλου του Παρισιού είναι πιο ακριβής, επομένως έχει προτεραιότητα προς το παρόν, αλλά και οι δύο ομάδες θα βελτιώσουν τις ρυθμίσεις τους και θα προσπαθήσουν ξανά.
Αν και οι δύο μετρήσεις διαφέρουν, ταιριάζουν πολύ με την τιμή του άλφα που συνάγεται από ακριβείς μετρήσεις του ηλεκτρονίου g -παράγοντας, μια σταθερά που σχετίζεται με τη μαγνητική του ροπή, ή τη ροπή που βιώνει το ηλεκτρόνιο σε ένα μαγνητικό πεδίο. "Μπορείτε να συνδέσετε τη σταθερά λεπτής δομής στο g -παράγοντας με πολλά μαθηματικά», είπε ο Κορνέλ. "Εάν λείπουν κάποια φυσικά αποτελέσματα από τις εξισώσεις [του Καθιερωμένου Μοντέλου], θα λαμβάναμε την απάντηση λάθος."
Αντίθετα, οι μετρήσεις ταιριάζουν υπέροχα, αποκλείοντας σε μεγάλο βαθμό ορισμένες προτάσεις για νέα σωματίδια. Η συμφωνία μεταξύ των καλύτερων g -Οι μετρήσεις παραγόντων και η μέτρηση του Müller το 2018 χαιρετίστηκε ως ο μεγαλύτερος θρίαμβος του Standard Model. Το νέο αποτέλεσμα των Guellati-Khélifa είναι ένα ακόμα καλύτερο ματς. «Είναι η πιο ακριβής συμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος», είπε.
Κι όμως, αυτή και ο Müller έχουν αρχίσει να κάνουν περαιτέρω βελτιώσεις. Η ομάδα του Μπέρκλεϋ έχει μεταβεί σε ένα νέο λέιζερ με ευρύτερη δέσμη (επιτρέποντάς του να χτυπά πιο ομοιόμορφα το σύννεφο των ατόμων του καισίου), ενώ η ομάδα του Παρισιού σχεδιάζει να αντικαταστήσει τον θάλαμο κενού τους, μεταξύ άλλων.
Τι είδους άτομο καταβάλλει τόσο μεγάλη προσπάθεια σε τέτοιες ελάχιστες βελτιώσεις; Ο Guellati-Khélifa ονόμασε τρία χαρακτηριστικά:«Πρέπει να είσαι αυστηρός, παθιασμένος και ειλικρινής με τον εαυτό σου». Ο Müller είπε απαντώντας στην ίδια ερώτηση:«Νομίζω ότι είναι συναρπαστικό γιατί μου αρέσει να κατασκευάζω γυαλιστερές ωραίες μηχανές. Και μου αρέσει να τα εφαρμόζω σε κάτι σημαντικό». Σημείωσε ότι κανείς δεν μπορεί να κατασκευάσει μόνος του έναν επιταχυντή υψηλής ενέργειας όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων της Ευρώπης. Αλλά κατασκευάζοντας ένα εξαιρετικά ακριβές όργανο αντί για ένα υπερενεργητικό, είπε ο Müller, "μπορείτε να κάνετε μετρήσεις σχετικές με τη θεμελιώδη φυσική, αλλά με τρία ή τέσσερα άτομα."
Η Natalie Wolchover είναι ανώτερη συγγραφέας και συντάκτρια στο Quanta Περιοδικό που καλύπτει τις φυσικές επιστήμες.
