科學網—透過石墨烯一瞥精細結構常數

2020-11-23 科學網

 

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。在眾多數字中，精細結構常數無疑是最神秘的一個。它的含義是超快運動電荷與光線的耦合程度，或者說是電磁相互作用中電荷之間耦合強度的一種度量。

 

精細結構常數是物理學中一個重要的無量綱數，用希臘字母α表示，它與量子電動力學有著緊密的淵源。它將電動力學中的電荷e、量子力學中的普朗克常數h、相對論中的光速c聯繫起來，定義為α=e2/(2ε0hc)，而其大小為什麼約等於1/137至今尚未得到令人信服的回答。

 

目前，許多物理學家正在致力於研究精細結構常數隨時間的變化。著名物理學家費恩曼曾說：這個數字自50多年前發現以來一直是個謎。所有優秀的理論物理學家都將這個數貼在牆上，為它大傷腦筋……它是物理學中最大的謎之一，一個該死的謎：一個魔數來到我們身邊，可是沒人能理解它。你也許會說「上帝之手」寫下了這個數字，而我們不知道他是怎樣下筆的。

 

領導該項研究的是英國曼徹斯特大學物理與天文學學院的Andre Geim教授，他在2004年與Kostya Novoselov一道發現了石墨烯。在最新研究中，Geim和同事發現，這種世界上最薄的單原子石墨烯材料能夠吸收可見光中精確的一小部分，這讓他們能夠直接確定出精細結構常數的值。而來自葡萄牙Minho大學的理論物理學家也從理論上為此次的發現找到了依據。

 

Geim說：「精細結構常數百分之幾的改變就有可能讓生命從未誕生，因為這可能阻止較輕元素通過核反應形成碳原子。沒有碳原子就意味著沒有生命。」

 

Geim與Rahul Nair和Peter Blake兩位博士一道，首次創造出巨大的懸浮石墨烯薄膜。他們發現，儘管只有單層原子厚度，但石墨烯有相當的不透明度，可以吸收大約2.3%的可見光。而相關的理論研究也表明，如果將這一數字除以圓周率，就會得到較為精確的精細結構常數值。

 

研究人員認為，這一結論的根本原因在於石墨烯中特殊的電子結構和電子好比完全失去了質量的行為方式，這一事實已經被全世界的科學家重複過多次了。

 

不過，用度量學標準來看，用光學確定該常量在精確度上是相對較低的。此次研究的最大亮點在於它的「極端」簡易性，因為測定基礎常量通常需要十分複雜的設備和特殊的條件。Geim表示：「當發現一種基礎效應可以用如此簡單的方法進行測定時，我們真的大吃一驚。一個人透過石墨烯就能對宇宙進行最為基礎的一瞥。」

 

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