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闲话精细结构常数 材料物理 高光宇 0310252 应用物理 赵冠楠 0310308 几年前，澳大利亚新南威尔斯大学的科学家通过对来自遥远的类星体的光谱数据的分析，发现宇宙早期的精细结构常数可能比现在的小大约一百万分之七左右。 这一发现，如果被进一步证实，将对理论物理的前沿研究产生重大的影响。那么为什么它的改变会如此的轰动效应？ 返回 原子光谱与精细结构 1664年，牛顿发现一束细小的太阳光在通过三棱镜后会分解成像彩虹那用的连续光带。牛顿把这种彩色的光带叫做光谱。 19世纪初，英国物理学家威廉·渥拉斯顿发现，太阳光的连续光谱带其实并不是真正连续的，而是带有许许许多多的暗线条。 1891年，麦克尔逊通过精确的实验发现，原子光谱的每一条谱线，实际上是由两条或多条靠得很近的谱线组成的。这种细微的结构称为光谱线的精细结构。 然而，当时的物理学理论无法解释光谱为什么是一条条分离的谱线，而不是连续的谱带，更不用说光谱的精细结构了 氢原子模型和精细结构常数 玻尔模型 索末斐对玻尔的氢原子模型作了几方面的改进： 原子核和电子绕着他们的共同质心转动 轨道不必是一个正圆，也可以是椭圆 计及质量随速度变化的相对论效应 能量与量子数n和l有关，精细结构与l有关 索末斐在解释原子光谱的精细结构时首先提出了精细结构常数，所以这个常数被称为索末斐精细结构常数。 精细结构常数的物理意义 量子电动力学认为，两个带电粒子是通过互相交换光子而相互作用的。 这种交换可以有很多种不同的方式。 不同复杂程度的交换方式，对最终作用的贡献是不一样的。 它们的贡献随着过程中光子的吸收或发射次数呈指数式下降，而这个指数的底，正好就是精细结构常数。 这样精细结构常数就具有了全新的含义：它是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量，或者说，它就是电磁相互作用的强度。 强相互作用的量子色动力学和能描述弱相互作用的弱电统一理论都把相互作用看作是粒子之间相互交换某种粒子的结果。 在这些理论中，也有类似于精细结构常数的东西。 强相互作用的“精细结构常数”比电磁精细结构常数大得多，因此“强相互作用”也比电磁相互作用大得多。 随时间改变的“常数” 包括精细结构常数在内的很多物理学基本常量，会不会随着时间的推移而发生变化？ 这是一个由来已久的猜想。 1938年，狄拉克在《自然》上撰文指出，光穿越整个宇宙所需的时间，与光穿越一个电子所需的时间之比，大约等于1039。 而一对质子和电子之间的静电力与万有引力之比，也大约等于1039 。 狄拉克认为，如此大的两个无量纲数在数量级上相接近，它的背后可能有着深刻的原因。 他进一步猜想，如果这两个数之间存在着简单的比例关系，而宇宙的尺度又与它的年龄成正比，引力常数就应该与宇宙的年龄成反比。 按宇宙寿命大约200亿年来估算，现在万有引力常数当以每年两百亿分之一的速度在减小。这就是著名的狄拉克大数猜想。 1948年爱德华·特勒等人提出精细结构常数与万有引力常数可能有一定的联系，他正在以约每年3万亿分之一的速度增大。 然而广义相对论却不允许精细结构常数随时间改变。 因为广义相对论的基础是等效原理，它要求任何在引力场中作自由落体的局域参照系中所做的非引力实验都有完全相同的结果，而与实验进行的时间地点无关。 如果关于精细结构常数随时间变化的猜想属实，广义相对论就有必要进行修正。 正因为如此，长期以来物理学家们一直在致力于测量精细结构常数随时间的变化情况。 寻找证据 最近，美国喷气推进实验室和频率标准实验室的科学家们精确地测量了铯原子钟、汞离子钟和氢原子微波激射器的频率在140天内的相对频率漂移。 结果发现，在现阶段，精细结构常数的变化率不可能超过每年30万亿分之一。 这个数值只有狄拉克大数猜想的十分之一，基本上推翻了狄拉克大数猜想。 著名的奥克劳天然核反应堆也为精细结构常数的变化提供了证据。 奥克劳反应堆为我们提供了20亿年前钐149的中子散射截面信息。 而散射截面取决于强相互作用的精细结构常数，所以能够推算出它随时间的变化情况。 精确测量发现，20亿年来强相互作用的精细结构常数的变化极其微小，年相对变化率不超过 2 × 10-19，远远低于狄拉克大数猜想值。 另外的证据 类星体是一种奇特的天体，发光强度可以超过整个银河系发光强度的总和，而直径却只与太阳系相当。 类星体通常具有很大的红移值，根据哈勃定律推算，它们与地球的距离一般在几十亿光年到1百多亿光年之外。  类星体的光线在穿越茫茫宇宙来到地球的过程中，有一部分会被一些宇宙空间