Stała struktury subtelnej jest jedną z najważniejszych stałych naturalnych. W Vienna University of Technology znaleziono niezwykły sposób jej pomiaru - objawia się ona jako kąt obrotu.
Stała struktury subtelnej, wizja artystyczna >> Duże w nowym oknie >>
Jeden nad 137: Jest to jedna z najważniejszych liczb w fizyce. Jest to przybliżona wartość tzw. stałej struktury subtelnej - wielkości fizycznej, która ma ogromne znaczenie w fizyce atomowej i cząsteczkowej.
Istnieje wiele sposobów pomiaru stałej struktury subtelnej - zwykle mierzy się ją pośrednio, mierząc inne wielkości fizyczne i wykorzystując je do obliczenia stałej struktury subtelnej. W TU Wien przeprowadzono jednak eksperyment, w którym stała struktury subtelnej może być mierzona bezpośrednio - jako kąt.
1/137-tajny kod wszechświata
Stała struktury subtelnej opisuje siłę oddziaływania elektromagnetycznego. Wskazuje ona, jak silnie naładowane cząstki, takie jak elektrony, reagują na pola elektromagnetyczne. Gdyby stała ta miała inną wartość, nasz wszechświat wyglądałby zupełnie inaczej - atomy miałyby inny rozmiar, więc cała chemia działałaby inaczej, a fuzja jądrowa w gwiazdach również byłaby zupełnie inna.
Wielokrotnie dyskutowanym pytaniem jest, czy stała struktury subtelnej jest rzeczywiście stała, czy też mogła ewentualnie zmienić nieco swoją wartość na przestrzeni miliardów lat.
Bezpośrednie pomiary zamiast obliczeń
"Większość ważnych stałych fizycznych ma określoną jednostkę - na przykład prędkość światła, którą można podać w jednostce metrów na sekundę" - mówi prof. Andrei Pimenov z Instytutu Fizyki Ciała Stałego w TU Wien. "Inaczej jest ze stałą struktury subtelnej. Nie ma ona jednostki, jest po prostu liczbą - jest bezwymiarowa."
Ale zwykle, gdy mierzy się strukturę subtelną, trzeba zmierzyć różne wielkości o różnych jednostkach fizycznych, a następnie z tych wyników wnioskuje się o wartości stałej struktury subtelnej. "W naszym eksperymencie natomiast sama stała struktury subtelnej staje się bezpośrednio widoczna" - mówi Andriej Pimenow.
Cienka warstwa, która obraca światło
Wiązka laserowa jest spolaryzowana liniowo - światło oscyluje dokładnie w kierunku pionowym. Następnie wiązka uderza w warstwę specjalnego materiału o grubości zaledwie kilku nanometrów. Materiał ten ma adekwatność zmiany kierunku polaryzacji światła.
"'Materiał obracający polaryzację wiązki laserowej nie jest, sam w sobie, niczym niezwykłym. Różne materiały mogą to robić; im grubsza warstwa materiału, tym bardziej polaryzacja lasera jest obracana. Ale tutaj mamy do czynienia z zupełnie innym efektem" - wyjaśnia Andriej Pimenow. "W naszym przypadku polaryzacja nie jest obracana w sposób ciągły - ona skacze".
Podczas przechodzenia przez cienką folię kierunek polaryzacji światła wykonuje skok kwantowy. Po przejściu przez nią fala świetlna oscyluje w innym kierunku niż dotychczas. A kiedy oblicza się wielkość tego skoku, pojawia się zadziwiający wynik: kwant tej zmiany kątowej jest dokładnie stałą struktury subtelnej.
"Mamy zatem bezpośredni dostęp do czegoś zupełnie niezwykłego: kwantu rotacji" - mówi Andriej Pimenow. "Stała struktury subtelnej staje się natychmiast widoczna jako kąt".
Źródło: Phys.org: Researchers report new technique to measure the fine structure constant
Alexey Shuvaev et al --> Applied Physics Letters --> Universal rotation gauge via quantum anomalous Hall effect --> DOI: 10.1063/5.0105159
Istnieje wiele sposobów pomiaru stałej struktury subtelnej - zwykle mierzy się ją pośrednio, mierząc inne wielkości fizyczne i wykorzystując je do obliczenia stałej struktury subtelnej. W TU Wien przeprowadzono jednak eksperyment, w którym stała struktury subtelnej może być mierzona bezpośrednio - jako kąt.
1/137-tajny kod wszechświata
Stała struktury subtelnej opisuje siłę oddziaływania elektromagnetycznego. Wskazuje ona, jak silnie naładowane cząstki, takie jak elektrony, reagują na pola elektromagnetyczne. Gdyby stała ta miała inną wartość, nasz wszechświat wyglądałby zupełnie inaczej - atomy miałyby inny rozmiar, więc cała chemia działałaby inaczej, a fuzja jądrowa w gwiazdach również byłaby zupełnie inna.
Wielokrotnie dyskutowanym pytaniem jest, czy stała struktury subtelnej jest rzeczywiście stała, czy też mogła ewentualnie zmienić nieco swoją wartość na przestrzeni miliardów lat.
Bezpośrednie pomiary zamiast obliczeń
"Większość ważnych stałych fizycznych ma określoną jednostkę - na przykład prędkość światła, którą można podać w jednostce metrów na sekundę" - mówi prof. Andrei Pimenov z Instytutu Fizyki Ciała Stałego w TU Wien. "Inaczej jest ze stałą struktury subtelnej. Nie ma ona jednostki, jest po prostu liczbą - jest bezwymiarowa."
Ale zwykle, gdy mierzy się strukturę subtelną, trzeba zmierzyć różne wielkości o różnych jednostkach fizycznych, a następnie z tych wyników wnioskuje się o wartości stałej struktury subtelnej. "W naszym eksperymencie natomiast sama stała struktury subtelnej staje się bezpośrednio widoczna" - mówi Andriej Pimenow.
Cienka warstwa, która obraca światło
Wiązka laserowa jest spolaryzowana liniowo - światło oscyluje dokładnie w kierunku pionowym. Następnie wiązka uderza w warstwę specjalnego materiału o grubości zaledwie kilku nanometrów. Materiał ten ma adekwatność zmiany kierunku polaryzacji światła.
"'Materiał obracający polaryzację wiązki laserowej nie jest, sam w sobie, niczym niezwykłym. Różne materiały mogą to robić; im grubsza warstwa materiału, tym bardziej polaryzacja lasera jest obracana. Ale tutaj mamy do czynienia z zupełnie innym efektem" - wyjaśnia Andriej Pimenow. "W naszym przypadku polaryzacja nie jest obracana w sposób ciągły - ona skacze".
Podczas przechodzenia przez cienką folię kierunek polaryzacji światła wykonuje skok kwantowy. Po przejściu przez nią fala świetlna oscyluje w innym kierunku niż dotychczas. A kiedy oblicza się wielkość tego skoku, pojawia się zadziwiający wynik: kwant tej zmiany kątowej jest dokładnie stałą struktury subtelnej.
"Mamy zatem bezpośredni dostęp do czegoś zupełnie niezwykłego: kwantu rotacji" - mówi Andriej Pimenow. "Stała struktury subtelnej staje się natychmiast widoczna jako kąt".
Źródło: Phys.org: Researchers report new technique to measure the fine structure constant
Alexey Shuvaev et al --> Applied Physics Letters --> Universal rotation gauge via quantum anomalous Hall effect --> DOI: 10.1063/5.0105159
