یک منبع نور (سمت چپ) پرتو نوری را از درون یک ماده خاص می فرستد، که جهت قطبش را تغییر می دهد – به اندازه زاویه ای که با ثابت ساختار ریز داده می شود.

ثابت ساختار ریز یکی از مهم ترین ثابت های طبیعی است. در دانشگاه صنعتی وین، روش جالب توجهی برای اندازه گیری آن پیدا شده است – این ثابت خودش را در زاویه چرخش نشان می دهد.

1 تقسیم بر 137: این یکی از مهم ترین اعداد در فیزیک است. این مقدار تقریبی برای به اصطلاح ثابت ساختار ریز است - یک کمیت فیزیکی که در فیزیک اتمی و ذرات اهمیت فوق العاده ای دارد.

روش‌های زیادی برای اندازه‌گیری ثابت ساختار ریز وجود دارد – این کمیت معمولاً به‌طور غیرمستقیم با اندازه‌گیری سایر کمیت‌های فیزیکی و استفاده از آنها برای محاسبه ثابت ساختار ریز اندازه‌گیری می‌شود. با این حال، در دانشگاه صنعتی وین، اکنون آزمایشی انجام شده است که در آن ثابت ساختار ریز خود را می توان مستقیماً - به صورت یک زاویه - اندازه گیری کرد.

1/137 - رمز مخفی کیهان

ثابت ساختار ریز قدرت برهمکنش الکترومغناطیسی را توصیف می کند. این کمیت نشان می دهد که ذرات باردار قوی مانند الکترون ها چگونه به میدان های الکترومغناطیسی واکنش نشان می دهند. اگر ثابت ساختار ریز مقدار متفاوتی داشت، جهان ما کاملاً متفاوت به نظر می رسید - اتم ها اندازه متفاوتی داشتند، بنابراین همه شیمی ها متفاوت عمل می کردند و همجوشی هسته ای در ستارگان نیز کاملاً متفاوت بود.

یک سوال بسیار مورد بحث این است که آیا ثابت ساختار ریز واقعاً ثابت است یا اینکه احتمال دارد مقدار آن در طی میلیاردها سال تغییر کرده باشد.

اندازه گیری مستقیم به جای محاسبات

پروفسور آندری پیمنوف Andrei Pimenov از مؤسسه فیزیک حالت جامد در دانشگاه صنعتی وین می گوید: «بیشتر ثابت های فیزیکی مهم دارای یک واحد خاص هستند - برای مثال، سرعت نور، که می تواند بر حسب واحد متر بر ثانیه داده شود. این در مورد ثابت ساختار ریز متفاوت است. واحد ندارد، خیلی ساده یک عدد و بدون بُعد است.

اما معمولاً وقتی ساختار ریز اندازه‌گیری می‌شود، باید کمیت‌های مختلف با واحدهای فیزیکی متفاوت اندازه‌گیری شود و سپس مقدار ثابت ساختار ریز از این نتایج استنتاج می‌شود. آندری پیمنوف می‌گوید: «از سوی دیگر، در آزمایش ما، خود ثابت ساختار ریز مستقیماً قابل مشاهده است».

لایه نازکی که نور را می چرخاند

یک پرتو لیزر به صورت خطی قطبیده می شود - نور دقیقاً در جهت عمودی نوسان می کند. سپس پرتو به لایه ای از ماده خاصی برخورد می کند که تنها چند نانومتر ضخامت دارد. خاصیت این ماده تغییر جهت قطبش نور است.

ماده‌ای که قطبش پرتو لیزر را می‌چرخاند، به خودی خود چیز غیرعادی ای نیست. مواد مختلف می‌توانند این کار را انجام دهند؛ هر چه لایه ماده ضخیم‌تر باشد، قطبش لیزر بیشتر می‌چرخد. اما ما با یک اثر کاملاً متفاوت روبرو هستیم. در اینجا، آندری پیمنوف توضیح می دهد. "در مورد ما، قطبش به طور پیوسته نمی چرخد – بلکه می پرد."

هنگام عبور از لایه نازک، جهت قطبش نور یک پرش کوانتومی انجام می دهد. موج نور پس از عبور در جهتی متفاوت از قبل در نوسان است. و هنگامی که اندازه این پرش محاسبه می شود، نتیجه شگفت انگیزی ظاهر می شود: کوانتوم این تغییر زاویه ای دقیقاً ثابت ساختار ریز است.

آندری پیمنوف می‌گوید: بنابراین ما دسترسی مستقیم به چیزی کاملاً غیرمعمول داریم: کوانتومی از چرخش. ثابت ساختار ریز بلافاصله به صورت یک زاویه قابل مشاهده می شود.

این تحقیق در Applied Physics Letters به چاپ رسیده است.

منبع:

Researchers report new technique to measure the fine structure constant