Новая методика измерения постоянной тонкой структуры
При прохождении через тонкую пленку направление поляризации света совершает квантовый скачок. После прохождения световая волна колеблется в другом направлении, чем раньше. И когда вычисляется величина этого скачка, появляется поразительный результат: квант этого углового изменения и есть постоянная тонкой структуры. «Таким образом, у нас есть прямой доступ к чему-то совершенно необычному: кванту вращения», — говорит Андрей Пименов. «Постоянная тонкой структуры сразу становится видимой в виде угла». Исследование было опубликовано в Applied Physics Letters.
Источник света (слева) посылает луч света через специальный материал, который меняет направление поляризации — на угол, определяемый постоянной тонкой структуры. Фото: Татьяна Лысенко / TU Wien
Постоянная тонкой структуры — одна из самых важных природных констант. В Техническом университете Вены был найден замечательный способ его измерения — он проявляется как угол поворота.
Один больше 137: это одно из самых важных чисел в физике. Это приблизительное значение так называемой постоянной тонкой структуры — физической величины, имеющей огромное значение в физике атомов и элементарных частиц.
Есть много способов измерить постоянную тонкой структуры — обычно ее измеряют косвенно, измеряя другие физические величины и используя их для расчета постоянной тонкой структуры. Однако в Венском техническом университете был проведен эксперимент, в котором можно напрямую измерить саму постоянную тонкой структуры — как угол.
1/137 — секретный код вселенной
Постоянная тонкой структуры описывает силу электромагнитного взаимодействия. Он показывает, как сильно заряженные частицы, такие как электроны, реагируют на электромагнитные поля. Если бы постоянная тонкой структуры имела другое значение, наша Вселенная выглядела бы совершенно иначе — атомы имели бы другой размер, поэтому вся химия работала бы по-другому, и ядерный синтез в звездах тоже был бы совершенно другим.
Широко обсуждаемый вопрос заключается в том, действительно ли постоянная тонкой структуры постоянна или же она могла немного изменить свое значение за миллиарды лет.
Прямые измерения вместо расчетов
«Большинство важных физических констант имеют определенную единицу измерения — например, скорость света, которая может быть выражена в метрах в секунду», — говорит профессор Андрей Пименов из Института физики твердого тела Венского технического университета. «С постоянной тонкой структуры дело обстоит иначе. У нее нет единицы измерения, это просто число — она безразмерна».
Но обычно при измерении тонкой структуры необходимо измерять различные величины в разных физических единицах, а затем из этих результатов выводится значение постоянной тонкой структуры. «Напротив, в нашем эксперименте непосредственно видна сама постоянная тонкой структуры», — говорит Андрей Пименов.
Тонкая пленка, вращающая свет
Лазерный луч имеет линейную поляризацию — свет колеблется точно в вертикальном направлении. Затем луч попадает на слой специального материала толщиной всего несколько нанометров. Этот материал имеет свойство изменять направление поляризации света.
«Материал, вращающий поляризацию лазерного луча, сам по себе не представляет собой ничего необычного. Это могут делать разные материалы; чем толще слой материала, тем больше вращается поляризация лазера. Но мы имеем дело с совершенно другим эффектом», — поясняет Андрей Пименов. «В нашем случае поляризация не вращается непрерывно — она скачет».
При прохождении через тонкую пленку направление поляризации света совершает квантовый скачок. После прохождения световая волна колеблется в другом направлении, чем раньше. И когда вычисляется величина этого скачка, появляется поразительный результат: квант этого углового изменения и есть постоянная тонкой структуры.
«Таким образом, у нас есть прямой доступ к чему-то совершенно необычному: кванту вращения», — говорит Андрей Пименов. «Постоянная тонкой структуры сразу становится видимой в виде угла».
Исследование было опубликовано в Applied Physics Letters.
