闲话精细结构常数讲解

闲话精细结构常数 材料物理 高光宇 0310252 应用物理 赵冠楠 0310308 量子力学专题 1 l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。 l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？ 返回 2 原子光谱与精细结构 l1664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。 l19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。 3 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） 4 l1891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。 l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 5 氢原子模型和精细结构常数 l玻尔模型 l索末斐对玻尔的氢原子模型作了几方面的改进： ü原子核和电子绕着他们的共同质心转动 ü轨道不必是一个正圆，也可以是椭圆 ü计及质量随速度变化的相对论效应 ü能量与量子数n和l有关，精细结构与l有关 6 l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。 氢原子光谱的精细结构精细结构常数 7 精细结构常数的物理意义 l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。 l这种交换可以有很多种不同的方式。 l不同复杂程度的交换方式，对最终作用的 贡献是不一样的。 8 l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。 l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。 9 l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。 l在这些理论中，也有类似于精细结构常数的东 西。 l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。 10 随时间改变的“常数” l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？ l这是一个由来已久的猜想。 11 l1938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1039。 l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 12 l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。 l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。 13 l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。 l1948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。 14 l然而广义相对论却不允许精细结构常数随时间 改变。 l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。 15 l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。 l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。 16 寻找证据 l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。 l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。 l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。 17 l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 18 l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。 l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。 l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。 另外的证据 19 l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。 l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。 20 l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。 l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。 21 l直接测量某元素的精细结构常数精度很低。 l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。 l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。 22 相对论被推翻了吗？ l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。 23 l而狭义相对论的一条基本假设就是光速不变。 l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。 l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。 24 l那么，相对论真的被推翻了吗？ Ø首先韦伯等人实验数据的可靠性尚有争议。 Ø其次真空的介电常数或普朗克常数可能发生 了改变，而未必一定是光速发生了改变。 Ø最后即使光速真的发生了改变，但平均年变 化率只有 7 ×10-16。它不会影响到相对论在 星系尺度上的应用，只有在宇宙尺度上，才 可能产生可观测效应。 25 l另一方面，相对论并不是一个终极的理论。 l广义相对论的引力理论，还不能与其他三种基 本相互作用统一起来。 l统一理论通常会出现更高的维度，只不过这些 额外的维度在宇宙演化过程中被收缩到极小的 尺度之内。 26 l在这种理论框架下，精细结构常数是有可能发 生改变的。 l尽管这一切都需要有实验证据来进行验证，我 们仍然看到相对论有被进一步发展的可能。 l光速有可能变慢的报道，也许正是这个发展的 前奏。 27 泡利海森伯格普朗克 薛定谔和他的猫 28 谢谢大家 2006.5.15 29