每個軌道（紅色），每個p軌道（黃色），d軌道（藍色）和f軌道（綠色）每個只能包含兩個電子：一個旋轉，一個旋轉。旋轉，接近光速的移動以及滲透宇宙的量子場的固有波動性質的影響都是物質展現的精細結構的原因。為什麼我們的宇宙是這樣的，而不是其他方式？只有三件事情如此：自然規律本身，現實的基本常數，以及宇宙誕生的初始條件。如果基本常數具有顯著不同的值，則不可能形成甚至簡單的結構，如原子，分子，行星或恆星。然而，在我們的宇宙中，常數具有他們所做的明確價值，而這種特定的組合產生了我們所居住的生命友好的宇宙。其中一個基本常數被稱為精細結構常數。
能否儘可能簡單地解釋精細結構常數？
讓我們從頭開始：用構成宇宙的簡單物質構建塊。
質子的結構與其伴隨的場一起模擬，表明即使它是由點狀夸克和膠子製成的，它具有有限的，實質的尺寸，這是由量子力和它內部的場的相互作用產生的。質子本身是一種複合物，而不是基本的量子粒子。然而，它內部的夸克和膠子以及繞原子核軌道運行的電子被認為是真正的基本和不可分割的。如果我們將它分解成最小的組成部分，我們的宇宙由標準模型的粒子組成。夸克和膠子，兩種類型的這些粒子，結合在一起形成束縛態，如質子和中子，它們本身一起結合成原子核。電子，另一種類型的基本粒子，是最輕的帶電輕子。當電子和原子核結合在一起時，它們就形成了原子：正常物質的基石，構成了我們日常生活中的一切。
在人類甚至認識到原子的結構之前，我們已經確定了它們的許多屬性。在19世紀，我們發現原子核的電荷決定了原子的化學性質，並發現每個原子都有自己獨特的譜線，它可以發射和吸收。實驗上，在理論家將它們放在一起之前很久就知道了一個離散的量子宇宙的證據。
太陽的可見光譜，不僅可以幫助我們了解其溫度和電離，還可以了解存在的元素的豐度。長而粗的線是氫和氦，但每隔一條線來自重元素。這裡顯示的許多吸收線彼此非常接近，顯示出精細結構的證據，其可以將兩個簡併能級分成緊密間隔但不同的能級。1912年，Niels Bohr提出了他現在著名的原子模型，其中電子圍繞原子核繞行星運行，如行星繞太陽運行。然而，玻爾模型與我們的太陽系之間的最大區別在於，原子只允許某些特定的狀態，而行星可以以速度和半徑的任意組合進行軌道運行，從而形成穩定的軌道。
波爾認識到電子和原子核都非常小，帶有相反的電荷，並且知道原子核幾乎具有所有的質量。他的突破性貢獻是理解電子只能佔據某種能量水平，他稱之為「原子軌道」。電子只能以特定的性質繞核運行，導致每個原子的吸收和發射線特徵。
當自由電子與氫原子核重新結合時，電子會向下級聯能級，隨著它們的發射發射光子。為了在早期宇宙中形成穩定的中性原子，它們必須達到基態而不產生潛在的電離紫外光子。原子的玻爾模型提供了能量水平的過程（或粗略或粗略）結構，但這已經不足以描述幾十年前所見過的東西。這個模型雖然精彩而且聰明，卻立即無法再現19世紀幾十年前的實驗結果。一直到1887年，麥可遜和莫雷利已經確定了氫的原子發射和吸收特性，並且它們與波爾原子的預測並不完全匹配。
同樣的科學家們確定光的速度沒有差別，無論它是否與地球的運動一起移動，反對或垂直移動，也比以往任何時候都更精確地測量了氫譜線。當玻爾模型接近時，麥可遜和莫雷利的結果表明，微小的變化和額外的能量狀態略微偏離了玻爾的預測。特別是，有一些能量水平似乎分為兩個，而玻爾的模型只預測了一個。
在氫原子的玻爾模型中，只有點狀電子的軌道角動量有助於能級。增加相對論效應和自旋效應不僅會導致這些能量水平發生變化，而且還會導致退化水平分裂成多個狀態，從而揭示玻爾預測的粗糙結構頂部的精細物質結構。這些額外的能量水平彼此非常接近並且也接近玻爾的預測，這是我們現在稱之為原子精細結構的第一個證據。玻爾的模型簡單地將電子建模為帶電的，無旋轉的粒子，以遠低於光速的速度繞核旋轉，成功地解釋了原子的粗糙結構，但不是這種額外的精細結構。
這需要另一個進步，這是1916年物理學家阿諾德索莫菲爾德實現的。如果你像玻爾那樣模擬氫原子，但是取基態電子速度的比例並將其與光速進行比較，你會得到一個非常具體的值，Sommerfeld稱之為α：精細結構常數。一旦你正確地摺疊成波爾方程，這個常數能夠精確地解釋粗略和精細結構預測之間的能量差異。
如此處所示，過冷氘源不僅僅顯示離散水平，而是顯示出標準相長/相消幹涉圖案頂部的條紋。這種額外的邊緣效應是物質精細結構的結果。在的時候，α已知的其他常量而言α= e^2 /4πε0hc，其中：
e是電子的電荷，ε0是自由空間的電容率的電磁常數，h是普朗克的常數，c是光速。與其他具有與之相關的單位的常數不同，α是一個真正的無量綱常數，這意味著它只是一個純數，沒有任何單位與它相關聯。如果以每秒米，每年英尺，每小時英裡數或任何其他單位測量光速可能會有所不同，則α始終具有相同的值。因此，它被認為是描述我們宇宙的基本常數之一。
能級和電子波函數對應於氫原子內的不同狀態，儘管所有原子的配置極其相似。能量水平以普朗克常數的倍數量化，但軌道和原子的大小由基態能量和電子質量決定。額外的影響可能很微妙，但可以以可衡量的，可量化的方式改變能量水平。如果沒有包含這些精細結構效應，原子的能級就無法得到恰當的解釋，這一事實在施洛德方程出現之後，在波爾之後十年重現。正如玻爾模型未能正確再現氫原子的能級一樣，薛丁格方程也是如此。很快就發現有三個原因。
薛丁格方程基本上是非相對論的，但電子和其他量子粒子可以接近光速，並且必須包括這種效應。電子不是簡單地圍繞原子運行，而是它們還具有固有的內在角動量：旋轉，其值為π / 2，可以與原子的角動量的其餘部分對齊或反對。電子也表現出一種固有的量子波動，這也有助於原子的精細結構。當您包含所有這些效果時，您可以成功地重現物質的粗略和精細結構。
在沒有磁場的情況下，原子軌道內各種狀態的能級是相同的（左）。如果施加磁場，則（右），狀態根據塞曼效應分裂。在這裡，我們看到塞曼分裂PS雙峰過渡。由於自旋——軌道相互作用，相對論效應以及與核自旋的相互作用而發生其他類型的分裂，導致物質的精細和超精細結構。這些校正如此之小的原因是因為精細結構常數α的值也非常小。根據我們最好的現代測量值，α = 0.007297352569 的值 ，其中只有最後一位數是不確定的。這非常接近於一個確切的數字：α= 1/137。曾經有人認為這個確切的數字可能會以某種方式解釋，但更好的理論和實驗研究表明這種關係是不精確的，並且α= 1 / 137.0359991，其中只有最後一位數是不確定的。
當含有質子/電子的氫原子與對齊的自旋（頂部）翻轉以具有反對齊的自旋（底部）時，21釐米的氫線出現，發射出一個非常特徵波長的特定光子。n = 1能級中的反自旋配置表示氫的基態，但其零點能是有限的非零值。這種轉變是物質超精細結構的一部分，甚至超越了我們更常見的精細結構。
但是，即使包括所有這些效果，也無法獲得有關原子的所有信息。不僅有粗糙的結構（來自圍繞核的電子）和精細結構（來自相對論效應，電子自旋和電子的量子漲落），而且還有超精細結構：電子與核自旋的相互作用。例如，氫原子的自旋翻轉過渡是物理學中已知的最窄譜線，並且由於這種超精細效應超出了甚至精細結構。
來自超遙遠類星體的光提供了宇宙實驗室，不僅可以測量沿途遇到的氣體雲，還可以測量在星系團，星系和細絲外面包含溫熱等離子體的星系間介質。由於發射或吸收線的確切性質取決於精細結構常數，因此這是探測宇宙中精細結構常數的時間或空間變化的主要方法之一。但精細結構常數α對物理學非常感興趣。一些人已經調查過它是否可能不是完全恆定的。各種測量結果表明，在我們科學史的不同時刻，α可能隨時間或宇宙中的位置而變化。在某些情況下，氫和氘譜線的測量表明，α可能在空間或時間上變化0.0001％。
然而，這些初步結果未能阻止獨立驗證，並被更大的物理界視為可疑。如果我們確實有力地觀察到這種變化，它會告訴我們，我們觀察到的在宇宙中不變的東西——比如電子電荷，普朗克常數或光速 - 在空間或時間上實際上可能不是恆定的。
表示電子——電子散射的費曼圖，其需要對粒子——粒子相互作用的所有可能歷史求和。正電子是電子向後移動的想法源於費曼和惠勒之間的合作，但散射相互作用的強度依賴於能量，並由描述電磁相互作用的精細結構常數控制。但是，實際上已經複製了一種不同類型的變化：α隨著您進行實驗的能量條件而變化。
讓我們想一想為什麼必須通過想像一種不同的方式來觀察宇宙的精細結構：採取兩個電子並將它們彼此保持特定的距離。精細結構常數α可以被認為是克服驅動這些電子的靜電排斥所需的能量與波長為2π的單個光子的能量乘以這些電子之間的間隔所需的能量之比。
然而，在量子宇宙中，總是存在粒子——反粒子對（或量子漲落），甚至是完全空的空間。在更高的能量下，這會改變兩個電子之間靜電排斥的強度。
QCD的可視化說明了由於海森堡的不確定性，粒子/反粒子對如何在極少量的時間內從量子真空中彈出。量子真空是有趣的，因為它要求空的空間本身不是那麼空，而是充滿了描述我們的宇宙的量子場理論所要求的各種狀態中的所有粒子，反粒子和場。原因實際上是直截了當的：標準模型中最輕的帶電粒子是電子和正電子，而在低能量下，電子 - 正電子對的虛擬貢獻是靜電力強度方面唯一重要的量子效應。但是在更高的能量下，它不僅變得更容易製造電子——正電子對，給你更大的貢獻，但你開始從更重的粒子——反粒子組合獲得額外的貢獻。
在我們今天宇宙中的（普通）低能量時，α約為1/137。但是在電弱比例中，你會發現像W，Z，希格斯玻色子和頂夸克這樣最重的粒子，α有點大：更像是1/128。實際上，由於這些量子貢獻，就好像電子的電荷強度增加一樣。
通過理論物理學家的艱苦努力，μ子磁矩被計算為五循環次序。理論上的不確定性現在只有20億分之一。這是一項巨大的成就，只能在量子場論的背景下才能實現，並且在很大程度上依賴於精細結構常數及其應用。精細結構常數α 在當今現代物理學中最重要的實驗之一中起著重要作用：測量基本粒子的固有磁矩的努力。對於像電子或μ子這樣的點粒子，只有少數因素決定了它的磁矩：
粒子的電荷（它與之成正比），粒子的旋轉（它與粒子成正比），粒子的質量（它與之成反比），和一個常數，稱為g，這是一種純粹的量子力學效應。雖然前三個是眾所周知的，但只知道g比十億分之一好一點。這可能聽起來像是一個非常好的測量，但我們正試圖以更好的理由將其測量到更高的精度。
這是位於麻薩諸塞州劍橋的奧本山公墓的Julian Seymour Schwinger的墓碑。這個公式是他在1948年首次計算時對「g / 2」的修正。他認為這是他最好的結果。早在1930年，我們認為g將是2，正是由狄拉克推導出來的。但這忽略了粒子的量子交換（或環圖的貢獻），這種交換隻是開始出現在量子場論中。1948年Julian Schwinger推導出一階修正，他指出g=2+α/π。截至今天，我們計算了所有對5階的貢獻，這意味著我們知道所有 （α/π）項，加上（α/π）2，（α/π）3 ，（α/π）4 ，和（α/π）5 項。
我們可以通過實驗測量g並在理論上進行計算，我們非常奇怪地發現它們並不完全匹配。g與實驗和理論之間的差異非常非常小：0.0000000058，組合不確定度為±0.0000000016：3.5-sigma差異。如果改進的實驗和理論結果達到5-sigma閾值，我們可能正處於新的超標準模型物理學的邊緣。
費米實驗室的Muon g-2電磁鐵準備接收一束μ子粒子。該實驗始於2017年，將採用總共3年的數據，顯著降低不確定性。雖然可以達到總共5-sigma重要性，但理論計算必須考慮到可能的每種效應和物質相互作用，以確保我們測量理論和實驗之間的穩健差異。當我們盡力測量宇宙時——更高的精度，更高的能量，非常大的壓力，更低的溫度等等——我們經常會發現複雜，豐富和令人費解的細節。然而，並不是那些細節中的魔鬼，而是現實中最深層的秘密所在。
宇宙中的粒子不僅僅是吸引，排斥和相互結合的點; 他們通過自然法則允許的每一種微妙手段進行互動。隨著我們在測量中達到更大的精度，我們開始發現這些微妙的影響，包括在低精度下容易錯過的物質結構的複雜性。精細結構是其中至關重要的一部分，但是即使我們對精細結構的最佳預測破壞也可能是粒子物理學的下一次偉大革命來自哪裡。做正確的實驗是我們唯一知道的方法。