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Constante de estructura fina

En física , la constante de estructura fina , también conocida como constante de Sommerfeld , comúnmente denotada por α (la letra griega alfa ), es una constante física fundamental que cuantifica la fuerza de la interacción electromagnética entre partículas elementales cargadas.

Es una cantidad adimensional , independiente del sistema de unidades utilizado, que está relacionada con la fuerza de acoplamiento de una carga elemental e con el campo electromagnético , mediante la fórmula 4 πε 0 ħcα = e 2 . Su valor numérico es aproximadamente 0.0072973525693 ≃1/137.035999084, con una incertidumbre relativa de1,5 × 10 −10 . [1] [un]

La constante fue nombrada por Arnold Sommerfeld , quien la introdujo en 1916 [2] al ampliar el modelo del átomo de Bohr . α cuantificó la brecha en la estructura fina de las líneas espectrales del átomo de hidrógeno, que había sido medida con precisión por Michelson y Morley en 1887. [b]

No se comprende por qué la constante debería tener este valor, [3] pero hay varias formas de medir su valor .

Definición

En términos de otras constantes físicas fundamentales , α puede definirse como: [4]

Desde la redefinición de las unidades básicas del SI en 2019 , la única cantidad en esta lista que no tiene un valor exacto en unidades SI es la constante eléctrica (permisividad del vacío).

Sistemas alternativos de unidades.

El sistema CGS electrostático establece implícitamente 4 πε 0 = 1 , como se encuentra comúnmente en la literatura de física más antigua, donde la expresión de la constante de estructura fina se convierte en

Un sistema adimensionalizado comúnmente utilizado en física de altas energías establece ε 0 = c = ħ = 1 , donde las expresiones para la constante de estructura fina se convierten en [10]

carga elementale = 4 πα0,302 822 12

En el sistema de unidades atómicas , que establece e = m e = ħ = 4 πε 0 = 1 , la expresión para la constante de estructura fina se convierte en

Medición

Diagramas de Feynman de octavo orden sobre la autointeracción del electrón. La línea horizontal con flechas representa el electrón, las líneas onduladas son fotones virtuales y los círculos son pares virtuales electrón - positrón .

El valor recomendado de α por CODATA de 2018 es [1]

α =mi 2/ 4 πε 0 ħc=0,007 297 352 5693 (11) .

Esto tiene una incertidumbre estándar relativa de1,5 × 10 −10 . [1]

Este valor para α da µ 0 = 4 π ×1,000 000 000 54 (15) × 10 −7  H⋅m −1 , 3,6 desviaciones estándar de su antiguo valor definido, pero con la media que difiere del antiguo valor en solo 0,54  partes por mil millones .

Históricamente , a menudo se da el valor del recíproco de la constante de estructura fina. El valor recomendado CODATA 2018 es [11]

1/α=137.035 999 084 (21) .

Si bien el valor de α puede determinarse a partir de estimaciones de las constantes que aparecen en cualquiera de sus definiciones, la teoría de la electrodinámica cuántica (QED) proporciona una forma de medir α directamente utilizando el efecto Hall cuántico o el momento magnético anómalo del electrón . [12] Otros métodos incluyen el efecto AC Josephson y el retroceso de fotones en la interferometría atómica. [13] Existe un acuerdo general sobre el valor de α , medido con estos diferentes métodos. Los métodos preferidos en 2019 son las mediciones de momentos magnéticos anómalos de los electrones y del retroceso de los fotones en la interferometría atómica. [13] La teoría de QED predice una relación entre el momento magnético adimensional del electrón y la constante de estructura fina α (el momento magnético del electrón también se conoce como factor g del electrón g e ). Uno de los valores más precisos de α obtenidos experimentalmente (a partir de 2023) se basa en una medición de g e utilizando un aparato de un electrón llamado "ciclotrón cuántico", [12] junto con un cálculo mediante la teoría de QED que involucrado12 672 diagramas de Feynman de décimo orden : [14]

1/α=137.035 999 166 (15) .

Esta medición de α tiene una incertidumbre estándar relativa de1,1 × 10 −10 . Este valor y la incertidumbre son aproximadamente los mismos que los últimos resultados experimentales. [15]

A finales de 2020 se publicó un mayor refinamiento del valor experimental, dando el valor

1/α=137.035 999 206 (11) ,

con una precisión relativa de8,1 × 10 −11 , que tiene una discrepancia significativa con respecto al valor experimental anterior. [dieciséis]

Interpretaciones físicas

La constante de estructura fina, α , tiene varias interpretaciones físicas. α es:

Cuando la teoría de la perturbación se aplica a la electrodinámica cuántica , las expansiones perturbativas resultantes para los resultados físicos se expresan como conjuntos de series de potencias en α . Debido a que α es mucho menor que uno, las potencias más altas de α pronto dejan de ser importantes, lo que hace que la teoría de la perturbación sea práctica en este caso. Por otra parte, el gran valor de los factores correspondientes en la cromodinámica cuántica hace que los cálculos relacionados con la fuerza nuclear fuerte sean extremadamente difíciles.

Variación con la escala de energía.

En electrodinámica cuántica , la teoría cuántica de campos más completa que subyace al acoplamiento electromagnético, el grupo de renormalización dicta cómo la fuerza de la interacción electromagnética crece logarítmicamente a medida que aumenta la escala de energía relevante . El valor de la constante de estructura fina α está vinculado al valor observado de este acoplamiento asociado con la escala de energía de la masa del electrón : la masa del electrón da un límite inferior para esta escala de energía, porque él (y el positrón ) es el más ligero. Objeto cargado cuyos bucles cuánticos pueden contribuir al funcionamiento. Por lo tanto,1/ 137.03600 es el valor asintótico de la constante de estructura fina a energía cero. En energías más altas, como la escala del bosón Z , alrededor de 90  GeV , se mide en cambio un α efectivo ≈ 1/127. [23]

A medida que aumenta la escala de energía, la fuerza de la interacción electromagnética en el Modelo Estándar se acerca a la de las otras dos interacciones fundamentales , una característica importante para las teorías de la gran unificación . Si la electrodinámica cuántica fuera una teoría exacta, la constante de estructura fina en realidad divergiría en una energía conocida como polo de Landau ; este hecho socava la coherencia de la electrodinámica cuántica más allá de las expansiones perturbativas .

Historia

Memorial de Sommerfeld en la Universidad de Munich

Basado en la medición precisa del espectro del átomo de hidrógeno realizada por Michelson y Morley en 1887, [c] Arnold Sommerfeld amplió el modelo de Bohr para incluir órbitas elípticas y la dependencia relativista de la masa con la velocidad. Introdujo un término para la constante de estructura fina en 1916. [d] La primera interpretación física de la constante de estructura fina α fue como la relación entre la velocidad del electrón en la primera órbita circular del átomo relativista de Bohr y la velocidad de luz en el vacío. [27] De manera equivalente, era el cociente entre el momento angular mínimo permitido por la relatividad para una órbita cerrada y el momento angular mínimo permitido por la mecánica cuántica. Aparece de forma natural en el análisis de Sommerfeld y determina el tamaño de la división o estructura fina de las líneas espectrales hidrogenadas . Esta constante no se consideró significativa hasta la ecuación de onda relativista lineal de Paul Dirac en 1928, que dio la fórmula exacta de la estructura fina. [28] : 407 

Con el desarrollo de la electrodinámica cuántica (QED), la importancia de α se ha ampliado de un fenómeno espectroscópico a una constante de acoplamiento general para el campo electromagnético, que determina la fuerza de la interacción entre electrones y fotones. El términoα/2 πEstá grabado en la lápida de uno de los pioneros de la QED, Julian Schwinger , en referencia a su cálculo del momento dipolar magnético anómalo .

Historia de las mediciones

Los valores CODATA en la tabla anterior se calculan promediando otras mediciones; No son experimentos independientes.

Además, los números entre paréntesis anteriores (por ejemplo, el "(11)" que aparece al final del valor "137.035999206(11)" en la tabla anterior) representan la incertidumbre relativa en el valor, que puede considerarse como un "error". rango". [29]

Posible variación en el tiempo

Los físicos se han preguntado si la constante de estructura fina es en realidad constante o si su valor difiere según la ubicación y el tiempo. Se ha propuesto una α variable como una forma de resolver problemas en cosmología y astrofísica . [32] [33] [34] [35] La teoría de cuerdas y otras propuestas para ir más allá del modelo estándar de física de partículas han generado un interés teórico sobre si las constantes físicas aceptadas (no solo α ) realmente varían.

En los experimentos siguientes, Δ α representa el cambio en α a lo largo del tiempo, que se puede calcular mediante α prevα now  . Si la constante de estructura fina realmente es una constante, entonces cualquier experimento debería demostrar que

o tan cerca de cero como el experimento pueda medir. Cualquier valor alejado de cero indicaría que α cambia con el tiempo. Hasta ahora, la mayoría de los datos experimentales son consistentes con que α sea constante.

Tasa de cambio pasada

Los primeros experimentadores que probaron si la constante de estructura fina realmente podía variar examinaron las líneas espectrales de objetos astronómicos distantes y los productos de la desintegración radiactiva en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo . Sus hallazgos fueron consistentes con la ausencia de variación en la constante de estructura fina entre estos dos lugares y tiempos tan separados. [36] [37] [38] [39] [40] [41]

La tecnología mejorada en los albores del siglo XXI hizo posible probar el valor de α a distancias mucho mayores y con una precisión mucho mayor. En 1999, un equipo dirigido por John K. Webb de la Universidad de Nueva Gales del Sur afirmó haber detectado por primera vez una variación en α . [42] [43] [44] [45] Utilizando los telescopios Keck y un conjunto de datos de 128 cuásares con desplazamientos al rojo de 0,5 < z < 3 , Webb et al. Descubrieron que sus espectros eran consistentes con un ligero aumento en α durante los últimos 10 a 12 mil millones de años. En concreto, encontraron que

En otras palabras, midieron el valor en algún punto entre−0,000 0047 y−0,000 0067 . Este es un valor muy pequeño, pero las barras de error en realidad no incluyen cero. Este resultado indica que α no es constante o que existe un error experimental no contabilizado.

En 2004, un estudio más pequeño de 23 sistemas de absorción realizado por Chand et al. , utilizando el Very Large Telescope , no encontró variación mensurable: [46] [47]

Sin embargo, en 2007 se identificaron fallas simples en el método de análisis de Chand et al. , desacreditando esos resultados. [48] ​​[49]

Rey y col. han utilizado los métodos Monte Carlo de la cadena de Markov para investigar el algoritmo utilizado por el grupo de la UNSW para determinarΔ α/ α de los espectros de cuásar, y han descubierto que el algoritmo parece producir incertidumbres correctas y estimaciones de máxima verosimilitud paraΔ α/ α para modelos particulares. [50] Esto sugiere que las incertidumbres estadísticas y la mejor estimación paraΔ α/ α afirmado por Webb et al. y Murphy et al. son robustos.

Lamoreaux y Torgerson analizaron datos del reactor de fisión nuclear natural de Oklo en 2004 y concluyeron que α ha cambiado en los últimos 2 mil millones de años en 45 partes por mil millones. Afirmaron que este hallazgo tenía "probablemente una precisión del 20%". La precisión depende de las estimaciones de impurezas y temperatura en el reactor natural. Estas conclusiones deben ser verificadas. [51] [52] [53] [54]

En 2007, Khatri y Wandelt de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign se dieron cuenta de que la transición hiperfina de 21 cm en el hidrógeno neutro del universo temprano deja una huella de línea de absorción única en la radiación cósmica de fondo de microondas . [55] Propusieron utilizar este efecto para medir el valor de α durante la época anterior a la formación de las primeras estrellas. En principio, esta técnica proporciona suficiente información para medir una variación de 1 parte en10 9 (4 órdenes de magnitud mejor que las limitaciones actuales de los cuásares). Sin embargo, la restricción que se puede imponer a α depende en gran medida del tiempo de integración efectivo, siendo 1t . El radiotelescopio europeo LOFAR sólo podría limitarΔ α/ α a alrededor del 0,3%. [55] El área de recolección requerida para limitarΔ α/ α al nivel actual de limitaciones de los cuásares es del orden de 100 kilómetros cuadrados, lo que es económicamente impracticable en la actualidad.

Tasa de cambio actual

En 2008, Rosenband et al. [56] utilizaron la relación de frecuencia de Al + y Hg + en relojes atómicos ópticos de ión único para imponer una restricción muy estricta a la variación temporal actual de α , a saberΔ α/ α =(−1,6 ± 2,3) × 10 −17 por año. Tenga en cuenta que cualquier restricción nula actual sobre la variación temporal de alfa no necesariamente descarta la variación temporal en el pasado. De hecho, algunas teorías [57] que predicen una constante variable de estructura fina también predicen que el valor de la constante de estructura fina debería quedar prácticamente fijo en su valor una vez que el universo entre en su época actual dominada por la energía oscura .

Variación espacial - dipolo australiano

Investigadores de Australia dijeron que habían identificado una variación de la constante de estructura fina en todo el universo observable. [58] [59] [60] [61] [62] [63]

Estos resultados no han sido replicados por otros investigadores. En septiembre y octubre de 2010, tras la publicación de una investigación de Webb et al. , los físicos C. Orzel y SM Carroll sugirieron por separado varios enfoques sobre cómo las observaciones de Webb pueden estar equivocadas. Orzel sostiene [64] que el estudio puede contener datos erróneos debido a diferencias sutiles entre los dos telescopios [65] un enfoque totalmente diferente; Considera la constante de estructura fina como un campo escalar y afirma que si los telescopios son correctos y la constante de estructura fina varía suavemente en el universo, entonces el campo escalar debe tener una masa muy pequeña. Sin embargo, investigaciones anteriores han demostrado que no es probable que la masa sea extremadamente pequeña. Las primeras críticas de ambos científicos apuntan al hecho de que se necesitan diferentes técnicas para confirmar o contradecir los resultados, una conclusión que Webb y otros afirmaron anteriormente en su estudio. [61]

Otras investigaciones no encuentran ninguna variación significativa en la constante de estructura fina. [66] [67]

explicación antrópica

El principio antrópico es un argumento sobre la razón por la que la constante de estructura fina tiene el valor que tiene: la materia estable, y por tanto la vida y los seres inteligentes, no podrían existir si su valor fuera muy diferente. α debe estar entre 1/180 y 1/85 para que la desintegración de protones sea lo suficientemente lenta como para que sea posible la vida. [68]

Explicaciones numerológicas

Como constante adimensional que no parece estar directamente relacionada con ninguna constante matemática , la constante de estructura fina ha fascinado a los físicos durante mucho tiempo.

Arthur Eddington argumentó que el valor podía "obtenerse por pura deducción" y lo relacionó con el número de Eddington , su estimación del número de protones en el universo. [69] Esto lo llevó en 1929 a conjeturar que el recíproco de la constante de estructura fina no era aproximadamente sino precisamente el número entero 137 . [70] En la década de 1940, los valores experimentales de1/αse desvió lo suficiente de 137 como para refutar los argumentos de Eddington. [28]

El físico Wolfgang Pauli comentó sobre la aparición de ciertos números en física , incluida la constante de estructura fina, que también observó que se aproxima al número primo 137 . [71] Esta constante le intrigó tanto que colaboró ​​con el psicoanalista Carl Jung en una búsqueda para comprender su significado. [72] De manera similar, Max Born creía que si el valor de α difería, el universo degeneraría y, por lo tanto, que α =1/137es una ley de la naturaleza. [73] [mi]

Richard Feynman , uno de los creadores y primeros desarrolladores de la teoría de la electrodinámica cuántica (QED), se refirió a la constante de estructura fina en estos términos:

Hay una pregunta muy profunda y hermosa asociada con la constante de acoplamiento observada, e : la amplitud para que un electrón real emita o absorba un fotón real. Es un número simple que, según se ha determinado experimentalmente, es cercano a 0,08542455. (Mis amigos físicos no reconocerán este número porque les gusta recordarlo como el inverso de su cuadrado: aproximadamente 137,03597 con una incertidumbre de aproximadamente 2 en el último decimal. Ha sido un misterio desde que se descubrió hace más de hace cincuenta años, y todos los buenos físicos teóricos ponen este número en su pared y se preocupan por ello).

Inmediatamente le gustaría saber de dónde viene este número de acoplamiento: ¿está relacionado con pi o quizás con la base de los logaritmos naturales? Nadie lo sabe. Es uno de los mayores malditos misterios de la física: un número mágico que nos llega sin que los humanos lo entendamos. Se podría decir que la "mano de Dios" escribió ese número y "no sabemos cómo empujó su lápiz". Sabemos qué tipo de baile hacer experimentalmente para medir este número con mucha precisión, pero no sabemos qué tipo de baile hacer en la computadora para que este número salga – ¡sin ingresarlo en secreto!

—  RP Feynman [3]

Por el contrario, el estadístico IJ Good argumentó que una explicación numerológica sólo sería aceptable si pudiera basarse en una buena teoría que aún no se conoce pero que "existe" en el sentido de un ideal platónico . [F]

Los intentos de encontrar una base matemática para esta constante adimensional han continuado hasta el día de hoy. Sin embargo, la comunidad física nunca ha aceptado ninguna explicación numerológica.

A principios del siglo XXI, varios físicos, incluido Stephen Hawking en su libro Una breve historia del tiempo , comenzaron a explorar la idea de un multiverso , y la constante de estructura fina fue una de varias constantes universales que sugirieron la idea de un multiverso. universo . [75]

Citas

Por razones históricas, α se conoce como constante de estructura fina. Desafortunadamente, este nombre da una impresión falsa. Hemos visto que la carga de un electrón no es estrictamente constante sino que varía con la distancia debido a efectos cuánticos; por tanto , α también debe considerarse una variable. El valor 1/137 es el valor asintótico de α que se muestra en la figura 1.5a. [76]

—  Francis Halzen y Alan Martin (1984) [77]

El misterio sobre α es en realidad un misterio doble: el primer misterio –el origen de su valor numérico α ≈ 1/137– ha sido reconocido y discutido durante décadas. El segundo misterio –el alcance de su dominio– generalmente pasa desapercibido.

—  MH MacGregor (2007) [78]

Cuando muera mi primera pregunta al Diablo será: ¿Cuál es el significado de la constante de estructura fina?

Ver también

Notas a pie de página

  1. CODATA 2018, publicado en mayo de 2019, tiene en cuenta mediciones publicadas hasta 2018. Morel et al . (2020) han afirmado una medición con una incertidumbre relativa inferior10-10 ; _ su valor también es significativamente menor que el valor recomendado de 2018, a un acuerdo de simplemente9 × 10 −10 .
  2. ^ En electrodinámica cuántica , α es proporcional al cuadrado de la constante de acoplamiento de una partícula cargada al campo electromagnético. Existen constantes de acoplamiento análogas que dan la fuerza de interacción de la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil .
  3. ^ "Entre otras sustancias [que se] probaron en los experimentos preliminares, se encontraban el talio, el litio y el hidrógeno... Cabe señalar que en [el] caso de la línea roja de hidrógeno, los fenómenos de interferencia desaparecieron alrededor de los 15.000 longitudes de onda, y nuevamente a aproximadamente 45.000 longitudes de onda: de modo que la línea roja del hidrógeno debe ser una línea doble con los componentes aproximadamente a una sexagésima parte de la distancia que las líneas del sodio". [25] (p430)
  4. ^ "Wir fügen den Bohrschen Gleichungen (46) und (47) die charakteristische Konstante unserer Feinstrukturen (49) α = 2 πe 2/ch hinzu, die zugleich mit der Kenntnis des Wasserstoffdubletts oder des Heliumtripletts in §10 oder irgend einer analogen Struktur bekannt ist."
     ——— 
    (Añadimos, a las ecuaciones de Bohr (46) y (47), la constante característica de nuestras estructuras finas ( 49) α =2 πe 2/chque se conoce de inmediato por el conocimiento del doblete de hidrógeno o del triplete de helio en §10 o cualquier estructura análoga.) [26] (p91)
  5. ^ "Si alfa fuera más grande de lo que realmente es, no deberíamos poder distinguir la materia del éter [el vacío, la nada], y nuestra tarea de desenredar las leyes naturales sería irremediablemente difícil. Sin embargo, el hecho de que alfa tiene justo su valor1/137Ciertamente no es ninguna casualidad, sino una ley de la naturaleza. Está claro que la explicación de este número debe ser el problema central de la filosofía natural." – Max Born [73]
  6. ^ "Ha habido algunos ejemplos de numerología que han llevado a teorías que transformaron la sociedad: ver la mención de Kirchhoff y Balmer en Good (1962) p. 316... y bien se puede incluir a Kepler debido a su tercera ley . Sería justo decir que la numerología fue el origen de las teorías del electromagnetismo, la mecánica cuántica y la gravitación... Así que no pretendo menospreciar una fórmula como numerológica. Cuando se propone una fórmula numerológica, entonces podemos preguntarnos: si es correcta... Creo que una definición apropiada de corrección es que la fórmula tenga una buena explicación, en un sentido platónico, es decir, la explicación podría basarse en una buena teoría que aún no se conoce pero que 'existe'. en el universo de posibles ideas razonables." — IJ Bueno (1990) [74]

Referencias

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