Таємний код Всесвіту: спосіб вимірювання константи тонкої структури

Значення одиниці понад 137, також відоме як постійна тонкої структури, вважається ключовим числом у фізиці. Він відіграє значну роль у фізиці атома та елементарних частинок. У той час як традиційно постійна тонкої структури вимірюється опосередковано через обчислення та вимірювання інших фізичних величин, дослідники з TU Wien розробили експеримент, який дозволяє безпосередньо вимірювати постійну тонкої структури у формі кута.

1/137 — секретний код Всесвіту

Константа тонкої структури описує силу електромагнітної взаємодії. Він показує, як сильно заряджені частинки, такі як електрони, реагують на електромагнітні поля. Якби константа тонкої структури мала інше значення, наш Всесвіт виглядав би зовсім інакше — атоми мали б інший розмір, тому вся хімія працювала б інакше, і ядерний синтез у зірках також був би зовсім іншим.

Питання, яке часто обговорюється, полягає в тому, чи є константа тонкої структури насправді постійною, чи вона, можливо, могла дещо змінити своє значення протягом мільярдів років.

Прямі вимірювання замість розрахунків

«Більшість важливих фізичних констант мають конкретну одиницю — наприклад, швидкість світла, яку можна подати в метрах за секунду», — каже професор Андрій Піменов з Інституту фізики твердого тіла Віденського технічного університету. «Інша справа з константою тонкої структури. У нього немає одиниці виміру, це просто число – воно безрозмірне».

Але зазвичай, коли вимірюється тонка структура, необхідно виміряти різні величини з різними фізичними одиницями, а потім значення постійної тонкої структури виводиться з цих результатів. «У нашому експерименті, з іншого боку, сама постійна тонка структура стає прямо видимою», — говорить Андрій Піменов.

Тонка плівка, яка обертає світло

Лазерний промінь поляризований лінійно — світло коливається точно у вертикальному напрямку. Потім промінь потрапляє на шар спеціального матеріалу товщиною всього кілька нанометрів. Цей матеріал має властивість змінювати напрямок поляризації світла.

«Матеріал, що обертає поляризацію лазерного променя, сам по собі не є чимось незвичайним. Це можуть зробити різні матеріали; чим товщі шар матеріалу, тим більше обертається поляризація лазера. Але тут ми маємо справу з зовсім іншим ефектом», – пояснює Андрій Піменов. «У нашому випадку поляризація не обертається безперервно — вона стрибає».

Проходячи крізь тонку плівку, напрямок поляризації світла здійснює квантовий стрибок. Після проходження світлова хвиля коливається в іншому напрямку, ніж раніше. І коли розраховується розмір цього стрибка, з’являється дивовижний результат: квант цієї кутової зміни точно є сталою тонкої структури.