基本介紹
- 中文名：精細結構常量
- 類別：物理學中一個重要的無量綱數
- 表示方法：常用希臘字母α
- 表示：表示電子運動速度和光速的比值
概述,精細結構常量的意義,精細結構常量的數值,
概述
精細結構常數是一個數字,單位為1(或說是沒有單位)
α^-1≈137(.03599976),α或=0.
精細結構常量的意義
從表面看來，精細結構常數 α 只不過是另外一些物理常數的簡單組合。然而，量子理論以後的發展表明，精細結構常數其實具有更為深刻的物理意義。無論是玻耳模型還是索末斐模型，它們都只是量子理論發展早期的一些半經典半量子的理論。它們雖然成功地解釋了氫原子光譜及其精細結構，但是在處理稍為複雜一些的具有兩個電子的氦原子時就遇到了嚴重的困難。以後薛丁格建立的量子波動力學對氫原子有了更好的描述。狄拉克又進一步把量子波動力學與相對論相結合起來，提出了電子的相對論性量子力學方程——狄拉克方程。狄拉克方程不但更好地解釋了光譜的精細結構——認為它是電子的自旋磁矩與電子繞核運行形成的磁場耦合的結果，而且還成功地預言了正電子的存在。
而描述光與電磁相互作用最為完善的理論，是量子電動力學。量子電動力學認為，兩個帶電粒子（比如兩個電子）是通過互相交換光子而相互作用的。這種交換可以有很多種不同的方式。最簡單的，是其中一個電子發射出一個光子，另一個電子吸收這個光子。稍微複雜一點，一個電子發射出一個光子後，那光子又可以變成一對電子和正電子，這個正負電子對可以隨後一起湮滅為光子，也可以由其中的那個正電子與原先的一個電子一起湮滅，使得結果看起來像是原先的電子運動到了新產生的那個電子的位置。更複雜的，產生出來的正負電子對還可以進一步發射光子，光子可以在變成正負電子對……而所有這些複雜的過程，最終表現為兩個電子之間的相互作用。量子電動力學的計算表明，不同複雜程度的交換方式，對最終作用的貢獻是不一樣的。它們的貢獻隨著過程中光子的吸收或發射次數呈指數式下降，而這個指數的底，正好就是精細結構常數。或者說，在量子電動力學中，任何電磁現象都可以用精細結構常數的冪級數來表達。這樣一來，精細結構常數就具有了全新的含義：它是電磁相互作用中電荷之間耦合強度的一種度量，或者說，它就是電磁相互作用的強度。
在量子電動力學之後，又發展出描述強相互作用（把質子、中子束縛在一起形成原子核的相互作用）的量子色動力學，和能描述弱相互作用（控制原子核衰變的相互作用）的弱電統一理論。與量子電動力學相似，這些理論都把相互作用看作是粒子之間相互交換某種粒子的結果。強相互作用是“色荷”之間交換“膠子”的結果，而弱相互作用是交換一種帶電的叫“W+”、“W-”的，或不帶電的叫“Z0”的東西的結果。自然，在這些理論中，也有著類似於精細結構常數的東西。強相互作用的“精細結構常數”比電磁精細結構常數大得多，因此“強相互作用”也比電磁相互作用大得多。
精細結構常量的數值
既然精細結構常數對電磁相互作用如此重要，自然有物理學家希望通過純理論的手段計算出這個常數來。大半個世紀以來，這方面的嘗試可以說是沒有停頓過，有關的論文發表了一篇又一篇。然而到目前為止，還沒有哪一位真正取得過成功。正如費因曼所說的：“這個數字自五十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的筆’” 。
英國物理學家愛丁頓（就是那個去非洲觀測日全食驗證廣義相對論的愛丁頓）是最早一位嘗試用純理論方法計算精細結構常數的科學家。他用純邏輯證明，精細結構常數應當等於
1 / α = (162-16) / 2 + 16 = 136
這與當時的實驗結果相符合。後來，更精確的實驗結果出來了，發現精細結構常數更接近於1/137，於是愛丁頓發現他原先的計算中有個小錯誤，改正了那個錯誤之後，他又斷定一定等於整數137。據說，他的學生知道此事後，便開玩笑給他們的老師起了個綽號叫“愛丁旺”（Adding-One）。
愛丁頓的嘗試當然是失敗的，因為後來的實驗數據表明，1/α並不是一個整數。以後的科學家們不斷進行嘗試，所得的計算公式也是五花八門，無奇不有。這裡不妨列舉幾個例子看看：
α = (9 / 8π4)(π5 / 245!)1/4 = 0.
α = (1-1/(30×127))/137 = 0.
α = cos(π/137)/137 = 0.
這些計算結果雖然很接近真實的數值，但是它們的命運與愛丁頓一樣，都被日漸提高的實驗精度所否定。
精細結構常數的計算，當然也吸引了相當一批“江湖科學家”。例如，一位據稱是中國科技大學科技史與科技考古系的研究生，居然能從北宋邵雍數學學派的觀點出發，認定“現時宇宙的測量模型”為“陰陽陽陽陰陽陽陽”，再把這一串“陰”和“陽”當作二進制數，附會出 1/α=1+10001000b 。再根據什麼“變機”和“化機”的“高次修正”，得到 1/α=137.。如此穿鑿附會的“研究”，也算一奇。
