Новое измерение постоянной тонкой структуры подтвердило справедливость квантовой электродинамики
|
Французские физики измерили постоянную тонкой структуры через импульс отдачи атомов с рекордной для этой методики точностью. Сравнение с результатами, полученными по другой методике, привело к самой сильной проверке квантовой электродинамики за всю ее историю.
Одно из направлений современной экспериментальной физики — измерение фундаментальных физических констант с огромной точностью, причем разными способами. Смысл этих измерений в конечном счете состоит в том, чтобы проверить устройство нашего мира на самых глубинных масштабах путем сравнения результатов измерений, проведенных по разным методикам и опирающимся на разные теории. Благодаря высокой точности измерений будут заметны даже самые слабые несостыковки. Поэтому даже в эпоху гигантских коллайдеров такие сверхточные опыты остаются одними из самых прозорливых инструментов для изучения устройства нашего мира.
Одна из величин, которую физики измеряют со всё возрастающей точностью уже многие десятилетия, — это так называемая постоянная тонкой структуры, обозначаемая греческой буквой альфа. О том, как определяется эта величина, и о ее истории можно прочитать в новости Уточнена постоянная тонкой структуры. Вкратце, альфа — это безразмерная величина (равная примерно 1/137), которая характеризует силу электромагнитного взаимодействия. Именно она определяет энергетические уровни электронов в атомах — ведь эти уровни возникают за счет электрического притяжения электронов к ядру и электромагнитного взаимодействия между электронами. Собственно, и само название альфы проистекает из тонкой структуры уровней энергии в атомах. Так что альфа, кроме фундаментального интереса, еще и исключительно важна для всех спектроскопических методов исследований, например для науки о материалах или для астрофизики — ведь именно через спектроскопические измерения мы можем проверить состояние вещества или получить разнообразную информацию о далеких звездах, галактиках, квазарах.
Наиболее точное значение постоянной тонкой структуры было получено в недавних экспериментах по измерению магнитного момента электрона, проведенных группой под руководством Джеральда Габриэльса (Gerald Gabrielse) из Гарвардского университета (зеленая точка на рис. 1). О результатах этих экспериментов см. в той же заметке Уточнена постоянная тонкой структуры; правда с тех пор группа Габриэльса поставила новые эксперименты, в которых погрешность уже составляла не 0,7 миллиардных, а 0,37 миллиардных — измеренное ими значение постоянной тонкой структуры составляет: 1/? = 137,035999084 ± 0,000000051.
Однако не стоит забывать, что в этих опытах напрямую измеряется лишь магнитный момент электрона, а саму альфу потом вычисляют на основании формул квантовой электродинамики (КЭД). Эти формулы чрезвычайно сложны (над их получением теоретики трудились многие годы), да и сама КЭД может, вообще говоря, не абсолютно точно описывать реальность. Поэтому неплохо было бы измерить постоянную тонкой структуры и каким-нибудь другим методом, не опирающимся настолько сильно на формулы КЭД. Если результаты не сойдутся, значит обнаружено нечто неожиданное; если сойдутся — это послужит дополнительной проверкой справедливости КЭД и выведенных в ее рамках формул.
В недавней статье французских физиков, опубликованной в журнале Physical Review Letters, сообщается об измерении постоянной тонкой структуры альтернативным методом (красная точка на рис. 1). Полученный ими результат имеет относительную погрешность 4,6 миллиардных и в пределах этих погрешностей совпадает со старым результатом. Это сравнение оказалось самой жесткой проверкой среди всех, которые выдержала КЭД за всю свою 50-летнюю историю.
Использованный авторами метод измерения известен на самом деле довольно давно. Он опирается на то, что постоянная тонкой структуры выражается при помощи очень простого соотношения через энергию ионизации атома водорода, скорость света и постоянную Планка, деленную на массу электрона (h/m). Энергия ионизации измерена с огромной точностью (относительная погрешность всего 0,007 миллиардных), скорость света вообще считается абсолютно точно известной величиной, поэтому остается узнать только отношение h/m.
Вот тут имеется загвоздка. И постоянная Планка, и масса электрона по отдельности известны довольно плохо, с неопределенностью в 50 миллиардных долей, поэтому просто брать числа из справочника и делить одно на другое бессмысленно. Однако это отношение можно измерить экспериментально, и намного точнее, чем каждая из этих двух величин по отдельности. Именно это и сделали французы, причем аккуратнее, чем во всех предыдущих опытах по этой методике.
На самом деле, в отношении h/m вместо массы электрона можно подставить и массу какого-нибудь атома — это не принципиально, поскольку отношение масс атомов и электрона тоже известно хорошо. Экспериментаторы в своих опытах использовали атомы рубидия, которыми легко манипулировать при помощи света. Свет оказывает на вещество давление, поэтому каждый квант света обладает не только энергией, но и импульсом. Из-за этого если первоначально атом покоился, а потом поглотил квант света, то после этого он будет двигаться с небольшой скоростью. Эта скорость целиком определяется длиной волны поглощенного кванта света и отношением h/m (где m — это масса атома). Итак, чтобы измерить это отношение (а через него — и альфу), надо просто «толкнуть» атом с помощью света и измерить скорость отдачи.
|
Измерить длину волны света для современной спектроскопии не составляет труда. А вот для измерения скорости с нужной точностью авторам пришлось прибегнуть сразу к нескольким нетривиальным физическим эффектам.
Они поместили атомы в «световую решетку», которую образуют лазерные лучи, направленные друг навстречу другу (см. рис. 2). Получился свободно висящий в пространстве кристалл из атомов, созданный и удерживаемый светом. Затем экспериментаторы начинали двигать этот кристалл — это осуществлялось за счет небольшого дисбаланса частот встречных лазерных лучей. Вся система была настроена очень тонко, так что атомы попадали в резонанс с обоими лазерными лучами — они поглощали фотоны с частотой, как в одном лазерном луче, и резонансно излучали фотоны с меньшей частотой, как в другом луче. Такой двойной резонанс был возможен за счет эффекта Доплера: движущийся после толчка атом «видит» свет с чуть иной частотой, чем в лабораторной системе отсчета. Эта сдвижка (то есть разница между частотами двух световых лучей) как раз и зависит от скорости атомов, позволяя измерить ее.
Достигнутая французами точность пока на порядок хуже точности группы Габриэльса. Однако авторы уверяют, что в ближайшем будущем погрешность можно будет уменьшить в несколько раз. Это подвергнет КЭД еще более строгой проверке и, возможно, даже даст более точное значение постоянной тонкой структуры.
Источник: M. Cadoret et al. Combination of Bloch Oscillations with a Ramsey-Borde' Interferometer: New Determination of the Fine Structure Constant // Physical Review Letters 101, 230801 (3 December 2008). Текст находится в свободном доступе в архиве электронных препринтов: arXiv:0810.3152.
Игорь Иванов
