Źródło światła (po lewej) wysyła wiązkę światła przez specjalny materiał, który zmienia kierunek polaryzacji — o kąt określony stałą struktury subtelnej. Źródło: Tatiana Łysenko / TU Wien

Stała struktury subtelnej jest podstawową stałą natury, a jej pomiar ma kluczowe znaczenie w fizyce. Niedawno naukowcy z TU Wien odkryli unikalny sposób pomiaru.

Wartość jeden powyżej 137, znana również jako stała struktury subtelnej, jest uważana za kluczową liczbę w fizyce. Odgrywa znaczącą rolę w fizyce atomowej i cząstek elementarnych.

Podczas gdy tradycyjnie stałą struktury subtelnej mierzy się pośrednio poprzez obliczenia i pomiary innych wielkości fizycznych, naukowcy z TU Wien opracowali eksperyment, który pozwala na bezpośredni pomiar stałej struktury subtelnej w postaci kąta.

1/137 — tajny kod wszechświata

Stała struktury subtelnej opisuje siłę oddziaływania elektromagnetycznego. Wskazuje, jak silnie naładowane cząstki, takie jak elektrony, reagują na pola elektromagnetyczne. Gdyby stała struktury subtelnej miała inną wartość, nasz wszechświat wyglądałby zupełnie inaczej — atomy miałyby inny rozmiar, więc cała chemia działałaby inaczej, a synteza jądrowa w gwiazdach również byłaby zupełnie inna.

Często dyskutowanym pytaniem jest, czy stała struktury subtelnej jest rzeczywiście stała, czy też mogła zmienić swoją wartość nieco ponad miliardy lat.

Bezpośrednie pomiary zamiast obliczeń

„Najważniejsze stałe fizyczne mają określoną jednostkę — na przykład prędkość światła, którą można podać w metrach na sekundę” — mówi profesor Andrei Pimenov z Instytutu Fizyki Ciała Stałego na TU Wien. „W przypadku stałej struktury drobnej jest inaczej. Nie ma jednostki, jest po prostu liczbą – jest bezwymiarowa”.

Ale zwykle, gdy mierzy się strukturę subtelną, należy zmierzyć różne wielkości o różnych jednostkach fizycznych, a następnie z tych wyników wywnioskować wartość stałej struktury subtelnej. „Z drugiej strony, w naszym eksperymencie sama stała struktury subtelnej staje się bezpośrednio widoczna”, mówi Andrei Pimenov.

Cienka folia, 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 właściwość zmiany kierunku polaryzacji światła.

„Materiał obracający polaryzację wiązki laserowej sam w sobie nie jest niczym niezwykłym. Mogą to zrobić różne materiały; im grubsza warstwa materiału, tym bardziej obrócona jest polaryzacja lasera. Ale tutaj mamy do czynienia z zupełnie innym efektem – wyjaśnia Andrei Pimenov. „W naszym przypadku polaryzacja nie obraca się w sposób ciągły – przeskakuje”.

Podczas przechodzenia przez cienką warstwę kierunek polaryzacji światła powoduje skok kwantowy. Po przejściu fala świetlna oscyluje w innym kierunku niż wcześniej. A kiedy oblicza się wielkość tego skoku, pojawia się zdumiewający wynik: kwant tej zmiany kątowej jest dokładnie stałą struktury subtelnej.

„Mamy w ten sposób bezpośredni dostęp do czegoś dość niezwykłego: kwantowej rotacji” – mówi Andrei Pimenov. „Stała struktury subtelnej staje się natychmiast widoczna jako kąt”.

Odniesienie: „Uniwersalny wskaźnik rotacji poprzez kwantowy anomalny efekt Halla” Alexey Shuvaev, Lei Pan, Lixuan Tai, Peng Zhang, Kang L. Wang i Andrei Pimenov, 7 listopada 2022 r., Listy z fizyki stosowanej.
DOI: 10.1063/5.0105159