Stała struktury subtelnej

Stała struktury subtelnej, stała Sommerfelda (oznaczenie: ${\displaystyle \alpha }$) – podstawowa stała fizyczna charakteryzująca siłę oddziaływań elektromagnetycznych. Została formalnie wprowadzona przez Arnolda Sommerfelda w 1916 roku^[1][2]. Jest wielkością bezwymiarową, więc jej wartość nie zależy od przyjętego systemu jednostek. Stała struktury subtelnej to kombinacja trzech fundamentalnych stałych przyrody: stałej Plancka (h), prędkości światła (c) i ładunku elektronu (e). Stała ${\displaystyle \alpha }$ określa relatywistyczne (c) i kwantowe (h) własności oddziaływań cząstek naładowanych elektrycznie (e) w próżni ${\displaystyle (\varepsilon _{0}).}$

Definicja stałej struktury subtelnej opublikowana przez Komitet Danych dla Nauki i Techniki (CODATA) w 2018 roku wynosi^[3][4]:

${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c\ 4\pi \varepsilon _{0}}}=7{,}2973525643(11)\times 10^{-3}={\frac {1}{137{,}035\,999\,177(21)}}.}$

gdzie:

${\displaystyle e}$ – ładunek elektryczny elementarny,

${\displaystyle \hslash ={\frac {h}{2\pi }},}$ gdzie ${\displaystyle h}$ – stała Plancka,

${\displaystyle c}$ – prędkość światła w próżni,

${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ – przenikalność elektryczna próżni.

W systemie CGS, w którym przenikalność elektryczna próżni jest bezwymiarową stałą, definicja przyjmuje postać:

${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c}},}$

a w układzie jednostek naturalnych:

${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{4\pi }}.}$

Często spotykane jest przybliżenie ${\displaystyle \alpha \approx 1/137.}$

Jak łatwo sprawdzić doskonały aproksymant wartości CODATA 2018 ${\displaystyle \alpha }$ to np.

${\displaystyle \alpha ={\frac {1}{137}}\left({\frac {2126}{6679}}\right)^{1/4357}=0{,}0072973525686.}$

Dotychczas nie powstała żadna powszechnie zaakceptowana teoria wyjaśniająca, dlaczego stała struktury ma taką wartość^[5].

Zachodzi także bardzo dokładny związek wyrażający niezwykłą słabość oddziaływań grawitacyjnych względem elektromagnetycznych^[6]:

${\displaystyle G={\frac {4}{3{\sqrt[{38}]{2}}}}{\frac {\hbar c}{m_{e}^{2}}}\alpha ^{21},}$

gdzie ${\displaystyle G}$ to stała grawitacji, a ${\displaystyle m_{e}}$ jest masą elektronu.

Mimo jej fundamentalnego charakteru niektórzy teoretycy sugerują, że nieznacznie zmienia się ona w miarę ewolucji Wszechświata. Przeprowadzone w ciągu kilku ostatnich lat przez grupę australijskich astronomów obserwacje odległych obiektów wskazywały, że stała struktury subtelnej zmieniła swoją wartość o około jedną stutysięczną od początku istnienia Wszechświata, co wywołało dyskusje na temat niezmienności stałych fizycznych. Najnowsze obserwacje wykazały, że mogła ona się zmienić nie więcej niż o jedną trzydziestotysięczną.

Badania prowadzone w akceleratorze LEP wskazują, że przy wysokich energiach efektywna stała struktury subtelnej zwiększa się z ok. 1/137 w dużej odległości do ok. 1/128 w odległości odpowiadającej energii równej masie cząstki Z; mówi się wtedy o biegnącej stałej sprzężenia (wartość „biegnie” wraz z energią)^[7]. Efekt ten wywołany jest przez ekranowanie ładunku przez próżnię.

Zobacz multimedia związane z tematem: Stała struktury subtelnej

• elektrodynamika kwantowa
• mechanika kwantowa
• stała grawitacji
• stałe fizyczne