精細結構常數是什麼?蘊藏宇宙的奧秘?物理學中最大的迷之一

2021-02-15 媽咪說MommyTalk

媽咪說：知識就是力量

上期視頻當中咱們介紹了量綱在物理學中的重要性，今天咱們來說說精細結構常數α，精細結構常數是物理學中為數不多的無量綱的常數之一，或者說量綱就是1，它沒有單位，所以不要感覺它陌生可怕，我來告訴大家精細結構常數α的公式是e^2/2ε0hc，你不要感覺這個公式挺唬人的，不要恐懼，沒有量綱就意味著無非就是一些常數之間的運算，然後把單位恰好消掉了而已，數值約等於1/137，上期咱們還說，說在物理學當中，一般我們說個數字，它後面都得跟著一個單位，可是精細結構常數沒有單位，這意味著什麼呢？或者是它是怎麼來的呢？最直白的一個理解就是相同量綱之間做除法，比如說我的體重除以你的體重，得到的這個數就是一個純數，它就沒有單位。好，下面咱們就來說說精細結構常數是怎麼來的，這事兒和量子力學有些關係，話說普朗克在1900年打開了量子力學的大門，普朗克說能量是不連續的，而是一份兒一份兒的，這個能量量子化假說就是量子力學的前提，沒有它就沒有量子力學，後來量子力學的大佬玻爾就出現了，玻爾遇到一個問題就是氫原子光譜為什麼長這樣，比如說燃燒氫氣，然後把這個光透過一個三稜鏡，在牆上就會出現對應的光譜，每一種元素它的光譜是不一樣的，所以玻爾決定要從最簡單的元素入手就是氫，氫原子光譜和我們常見的太陽光光譜不一樣，氫原子光譜不是連續的，只有幾條亮線，就是分立的，每兩條亮線之間的間距還不同

相關焦點

  • 宇宙精細結構常數是什麼?為什麼它很重要?
    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。
  • 科學網—透過石墨烯一瞥精細結構常數
    本報訊 英國科學家最近利用可見光線射過單層的石墨烯，瞥見一個重要但神秘的宇宙基本常數——精細結構常數。相關論文在線發表於《科學》雜誌上。 宇宙萬物和地球生命實際上受到一些精確數字的控制，這些常數包括光速、一個電子電荷等。
  • 《科學》:透過石墨烯一瞥精細結構常數
    英國科學家最近利用可見光線射過單層的石墨烯（graphene），瞥到一個重要但神秘的宇宙基本常數——精細結構常數（fine structure constant）。相關論文在線發表於《科學》雜誌上。
  • 「精細結構常數」實為變數
    在宇宙學理論裡，一項最有爭議的問題是：為何自然界基本常數就像是為我們特別設計好的一樣？據物理學家組織網9月6日（北京時間）報導，這些基本常數之一的「精細結構常數」，現在被科學家以確鑿的證據表明其實為變數。假如結果得到公認，那麼物理學家必然要重新思考許多他們所珍視的物理定律，甚至包括曾備受推崇的愛因斯坦的核心理論。
  • 【物理探索】精細結構常數,一個讓無數物理學家為之痴迷的數。
    原標題：【物理探索】精細結構常數，一個讓無數物理學家為之痴迷的數。 精細結構常數，可能是物理學中最讓人感興趣的常數。這就是所謂的「精細結構」（fine structure），在太陽和恆星光譜中都存在。能級劈裂的寬度正比於α，這就是「精細結構常數」之名的來源。 α也引起了一些深奧的理論問題。物理學中引人注目的無單位常量，除了精細結構常數以外，還有電磁力與引力強度的比值：1040（沒錯，引力就是這麼弱）。
  • 精細結構常數或隨空間變化
    常數，就是在任何情況下都穩定不變的數值。發現任何物理常數的變化，都可能對基本物理理論帶來巨大的影響。一份新研究發現，宇宙精細結構常數或隨空間變化，但不隨時間變化。基本常數是構成現代物理理論的重要基石。因此這些常數哪怕只是發生任何一點點變化，都可能對物理認知形成很大的挑戰，正如人們所說的失之毫釐，差之千裡。精細結構常數是科學家們驗證的熱點。因為，精細結構常數與光速、電子所帶的電荷、普朗克常數和電容率四個常數相關。只要其中任何一個常數出現偏差，都會影響到精細結構常數的結果。除非，這些基礎常數出現的偏差出現互補的情況，可是這樣的可能性太小了。
  • 新發現：宇宙深處「自然常數」異變，同一宇宙中或存在高維時空
    從古至今，在人類對於我們所處這個世界的認知的輪迴中，先是前科學時代的神創穩固，即一切都是超自然力量早都預設好的，萬古不變；然後是經典物理學時代的自然有序，即沒有什麼造物主，一切都是自然而然發生的，遵循著固有的規律進行演變；近現代物理學卻打破了「上帝不擲骰子」的人本主義和萬物有序的學說，在量子力學的引導下，整個宇宙在我們面前再次變得混沌而不可知。
  • 宇宙精細結構常數最精確測量結果出現,精度提升3倍
    ·物理學·宇宙精細結構常數精度提升3倍圖片來源：Pierre Cladé, Sada Guellati-Khélifa et Tatsumi Aoyama物理理論的驗證和應用需要測量精確的基本物理常量，精細結構常數用於表徵光和帶電基本粒子(如電子)之間的相互作用強度。
  • 物理學中的常數都是「常數」嗎?
    引子：物理學的常數經常被視為永遠不愛的定數，但隨著時間的推移，常數依然能歷久彌新嗎？抑或是會出現些許變化？另外，愛因斯坦會了便宜行事，在廣義相對論中大膽地加入宇宙常數，結果卻發現是烏龍事件。
  • 愛因斯坦引力方程中的宇宙常數與暗能量的區別是什麼?
    ——愛因斯坦1915年末在愛因斯坦首次提出廣義相對論的時候，這個理論對宇宙時空的革命性構想就遭到了眾多同行的強烈懷疑。而在往後的科學發展中相對論是被人們檢驗和審查最嚴格的理論之一。廣義相對論改變了我們的宇宙圖景
  • 在宇宙的不同方向上，這個基本常數會有所不同？
    科學家發現在宇宙的某些區域，精細結構常數存在差異，它不僅是時間上的函數，而且也是方向上的函數。精細結構常數是對自然界中的基本力之一——電磁力（另外三種為引力、弱核力和強核力）的一種度量，在電磁力的作用下，電子繞著原子中的原子核旋轉，如果沒有電磁力，所有的物質都會分崩離析。
  • 在宇宙的不同方向上,這個基本常數會有所不同?
    精細結構常數是對自然界中的基本力之一——電磁力（另外三種為引力、弱核力和強核力）的一種度量，在電磁力的作用下，電子繞著原子中的原子核旋轉，如果沒有電磁力，所有的物質都會分崩離析。 正如前面所說的，精細結構常數表徵了電磁相互作用的強度，假如這個值再大一點，那麼電磁力就會更強，原子會更小；但反過來假如這個值再小一點，那麼原子就會變得更大。 就在一篇最新發表於《科學進展》雜誌上的論文中，Webb領導的研究團隊報告了4個最新的精細結構常數的測量值。
  • Webb團隊發現宇宙中精細結構常數的非對稱性
    通過天文觀測對於遙遠類星體的分析，Webb團隊發現：理論物理學家最信任的常數「精細結構常數」，竟然不是各向同性。，如果精細結構被發現不是常數，即使是有微小不對稱性或者隨時間變化，理論物理體系都將需要被改寫。
  • 困擾物理學家近百年的宇宙學常數——愛因斯坦最大失誤或被更正?
    愛因斯坦最大的失誤是如何變成暗能量的關於宇宙常數的故事始於一個多世紀以前，當時愛因斯坦提出了一組方程，現在稱為愛因斯坦場方程，成為他的廣義相對論的框架。 這些方程式解釋了物質和能量如何扭曲空間和時間的結構以產生重力。 當時，愛因斯坦和天文學家都同意，宇宙的大小是固定的，並且星系之間的整體空間沒有改變。
  • 探尋宇宙構成的奧秘，最大的宇宙結構之一「南極牆」
    行星、恆星、星系等為人們所熟悉，然而，宇宙中還有許多罕見且令人嘆為觀止的結構。近日，一個國際研究小組利用宇宙三維地圖，發現了迄今為止最大的宇宙結構之一——「南極牆」。　　「南極牆」位於南天的天頂方向，包含了數十萬個星系、長達14億光年。「類似於『南極牆』的宇宙大尺度結構，是宇宙中一些密度較高的區域。」
  • 物理學家查明了塑造宇宙的數字,精度為萬億分之81
    在科幻小說《銀河系漫遊指南》中，人類向銀河系最大的超級計算機提出了一個有深度的問題：宇宙的意義是什麼？這個超級計算機在經過750萬年的處理後，給出了一個答案：42。但是，物理學家不同意這個觀點，他們認為宇宙的意義應該是精細結構常數，這個常數用希臘字母α來表示。
  • 在宇宙最極端的環境裡,這個基本常數依然保持不變!
    物理學家提出了許多試圖超越它們的理論，一些替代理論預言那些被認為在宇宙中任何地方都應該保持的不變的自然常數（比如光速或萬有引力常數等）或許會隨著時間和空間發生輕微的改變。最近，一個國際合作的物理學家團隊選擇在宇宙中最極端的環境中，檢驗一個非常重要的常數——精細結構常數是否會發生變化。他們的研究結果表明，精細結構常數或許是最「血性」的一個基本自然常數！
  • 宇宙中有什麼細思極恐的事實?
    精細結構常數α是物理學中非常重要的一個無量綱常數，其表達式如下：上式中，e為基本電荷；ε0為真空介電常數；為約化普朗克常數，它與普朗克常數h的關係為=h/(2π)；c為真空中的光速。在精細結構常數的計算公式中，其餘參數均為常數，由此得到的精細結構常數大小約為1/137.035999139。這個常數最初的含義是玻爾原子模型中處在基態的電子速度與光速之比，但隨著量子電動力學的發展，玻爾原子模型被拋棄，這個常數的物理學意義變得更為明確，它代表著電磁相互作用的強度。
  • 揭示宇宙奧秘的13個常數(三)--- 理想氣體常數
    宇宙解碼公眾平臺即將推出科幻故事連載活動，將會在每周六或周日發布一篇精選科幻故事，覺得好看就分享給朋友吧！ 理想氣體常數今日的科學工作包括觀察、實驗和理論研究，但古時候則不是這樣。數十年後，安東尼·范·列文虎克開始把所有的一切都放在顯微鏡下觀察，不是比喻而是真真正正的所有一切。但最終是由列文虎克同時代的羅伯特·玻義耳發展出了如今被我們視為實驗精髓的方法論：變動一項參數，然後觀察其他參數會產生什麼變化。他把在試驗中使用的設備、涉及的流程、觀察到的數據都一一記錄了下來，從而為實驗科學奠定了堅實的基礎。
  • 物理學家發現自然常數在變化,宇宙或不具有「各向同性」
    在物理學中，精細結構常數（fine structure constant）是用於度量自然界中電磁力大小的一個常量，電磁力與引力、強核力和弱核力並稱四大基本力。但領導這項研究的南威爾斯大學物理學教授約翰·韋伯（John Webb）團隊，通過 20 年的觀測和研究卻表明，該常數在宇宙中的某些區域內的取值或許並不相等，而這種「不等」卻不僅體現在時間上，還體現在了空間中的某一特定方向上，這就很奇怪了。