闲话精细结构常数

✓ 原子核和电子绕着他们的共同质心转动 ✓ 轨道不必是一个正圆，也可以是椭圆 ✓ 计及质量随速度变化的相对论效应 ✓ 能量与量子数n和l有关，精细结构与l有关
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索末斐在解释原子光谱的精细结构时首先提出 了精细结构常数，所以这个常数被称为索末斐 精细结构常数。
精细结构常数
氢原子光谱的精细结构
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精细结构常数的物理意义
他进一步猜想，如果这两个数之间存在着简单 的比例关系，而宇宙的尺度又与它的年龄成正 比，引力常数就应该与宇宙的年龄成反比。
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按宇宙寿命大约200亿年来估算，现在万有引 力常数当以每年两百亿分之一的速度在减小。 这就是著名的狄拉克大数猜想。
1948年爱德华·特勒等人提出精细结构常数与 万有引力常数可能有一定的联系，他正在以约 每年3万亿分之一的速度增大。
这是一个由来已久的猜想。
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1938年，狄拉克在《自然》 上撰文指出，光穿越整个 宇宙所需的时间，与光穿 越一个电子所需的时间之 比，大约等于wk.baidu.com039。
而一对质子和电子之间的 静电力与万有引力之比， 也大约等于1039 。
狄拉克
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狄拉克认为，如此大的两个无量纲数在数量级 上相接近，它的背后可能有着深刻的原因。
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原子光谱与精细结构
1664年，牛顿发现一束细小的太阳光在通过三 棱镜后会分解成像彩虹那用的连续光带。牛顿 把这种彩色的光带叫做光谱。
19世纪初，英国物理学家威廉·渥拉斯顿发现， 太阳光的连续光谱带其实并不是真正连续的， 而是带有许许许多多的暗线条。
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太阳光谱
氢原子光谱 （巴尔默系，背景彩色是为了表示三条光谱线的位置而加进去的）
在地球上光测到这些吸收光谱，其实是在几十 亿到一百多亿年前形成的。如果那时候的精细 结构常数跟现在的不同，光谱数据也就会有所 不同。
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直接测量某元素的精细结构常数精度很低。
所以澳大利亚科学家韦伯等人通过比较不同元 素吸收谱线的位置变化来探测精细结构常数的 变化，从而提高了一个数量级。
通过对4个独立样本的测量，发现在远古时代 （在0.5 < z < 3.5红移范围内），精细结构常 数比现在小大约百万分之7。
量子电动力学认为，两个带电粒子是通过 互相交换光子而相互作用的。
这种交换可以有很多种不同的方式。 不同复杂程度的交换方式，对最终作用的
贡献是不一样的。
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它们的贡献随着过程中光子的吸收或发射 次数呈指数式下降，而这个指数的底，正 好就是精细结构常数。
这样精细结构常数就具有了全新的含义： 它是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的 一种度量，或者说，它就是电磁相互作用 的强度。
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寻找证据
最近，美国喷气推进实验室和频率标准实验室 的科学家们精确地测量了铯原子钟、汞离子钟 和氢原子微波激射器的频率在140天内的相对 频率漂移。
结果发现，在现阶段，精细结构常数的变化率 不可能超过每年30万亿分之一。
这个数值只有狄拉克大数猜想的十分之一，基 本上推翻了狄拉克大数猜想。
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那么，相对论真的被推翻了吗？ ➢ 首先韦伯等人实验数据的可靠性尚有争议。
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然而广义相对论却不允许精细结构常数随时间 改变。
因为广义相对论的基础是等效原理，它要求任 何在引力场中作自由落体的局域参照系中所做 的非引力实验都有完全相同的结果，而与实验 进行的时间地点无关。
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如果关于精细结构常数随时间变化的猜想属 实，广义相对论就有必要进行修正。
正因为如此，长期以来物理学家们一直在致 力于测量精细结构常数随时间的变化情况。
量子力学专题
闲话精细结构常数
材料物理 高光宇 0310252 应用物理 赵冠楠 0310308
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几年前，澳大利亚新南威尔斯大学的科学家通 过对来自遥远的类星体的光谱数据的分析，发 现宇宙早期的精细结构常数可能比现在的小大 约一百万分之七左右。
这一发现，如果被进一步证实，将对理论物理 的前沿研究产生重大的影响。那么为什么它的 改变会如此的轰动效应？
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1891年，麦克尔逊通过精确的实验发现，原子 光谱的每一条谱线，实际上是由两条或多条靠 得很近的谱线组成的。这种细微的结构称为光 谱线的精细结构。
然而，当时的物理学理论无法解释光谱为什么 是一条条分离的谱线，而不是连续的谱带，更 不用说光谱的精细结构了
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氢原子模型和精细结构常数
玻尔模型 索末斐对玻尔的氢原子模型作了几方面的改进：
另外的证据
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类星体是一种奇特的天体，发光强度可以超过 整个银河系发光强度的总和，而直径却只与太 阳系相当。
类星体通常具有很大的红移值，根据哈勃定律 推算，它们与地球的距离一般在几十亿光年到 1百多亿光年之外。
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类星体的光线在穿越茫茫宇宙来到地球的过程 中，有一部分会被一些宇宙空间的气体云吸收， 从而形成吸收光谱。
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强相互作用的量子色动力学和能描述弱相互作 用的弱电统一理论都把相互作用看作是粒子之 间相互交换某种粒子的结果。
在这些理论中，也有类似于精细结构常数的东 西。
强相互作用的“精细结构常数”比电磁精细结 构常数大得多，因此“强相互作用”也比电磁 相互作用大得多。
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随时间改变的“常数”
包括精细结构常数在内的很多物理学基本常量， 会不会随着时间的推移而发生变化？
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相对论被推翻了吗？
从形式上看，精细结构常数是几个物理常数的 组合。如果精细结构常数发生了改变，那么至 少有一个物理量发生了改变，这其中就有真空 中的光速c。
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而狭义相对论的一条基本假设就是光速不变。 一组澳大利亚科学家在上述实验数据的基础上，
论证了电子的电荷不太可能发生变化，因而更 可能是光速发生了改变。 这一研究结果在《自然》上发表后，掀起了 “相对论被推翻”的宣传。
著名的奥克劳 天然核反应堆 也为精细结构 常数的变化提 供了证据。
奥克劳天然核反应 堆遗址
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奥克劳反应堆为我们提供了20亿年前钐149的 中子散射截面信息。
而散射截面取决于强相互作用的精细结构常数， 所以能够推算出它随时间的变化情况。
精确测量发现，20亿年来强相互作用的精细结 构常数的变化极其微小，年相对变化率不超过 2 × 10-19，远远低于狄拉克大数猜想值。