137 之 1 的值，也称为精细结构常数，被认为是物理学中的一个关键数字。它在原子和粒子物理学中起着重要作用。
精细结构常数是自然界的基本常数，其测量在物理学中至关重要。最近，维也纳工业大学的研究人员发现了一种独特的测量方法。
137 之 1 的值，也称为精细结构常数，被认为是物理学中的一个关键数字。它在原子和粒子物理学中起着重要作用。
虽然传统上精细结构常数是通过计算和测量其他物理量间接测量的，但维也纳工业大学的研究人员开发了一项实验，可以直接测量角度形式的精细结构常数。
1/137——宇宙密码
精细结构常数描述了电磁相互作用的强度。它表示电子等带电粒子对电磁场的反应强度。如果精细结构常数有不同的值，我们的宇宙就会看起来完全不同——原子会有不同的大小，所以所有的化学反应都会不同，恒星中的核聚变也会完全不同。
一个被广泛讨论的问题是精细结构常数是否实际上是常数，或者它是否可能在数十亿年的时间里改变了它的值。
直接测量而不是计算
“最重要的物理常数都有一个特定的单位——例如，光速，可以以米每秒为单位给出，”维也纳工业大学固态物理研究所的安德烈·皮梅诺夫教授说。“这与精细结构常数不同。它没有单位，它只是一个数字——它是无量纲的。”
但通常在测量精细结构时，需要测量各种不同物理单位的量，然后从这些结果中推断出精细结构常数的值。“另一方面，在我们的实验中，精细结构常数本身变得直接可见，”Andrei Pimenov 说。
光源（左）通过一种特殊材料发出一束光，这种材料会改变偏振方向——改变的角度由精细结构常数给出。图片来源：Tatiana Lysenko / TU Wien
旋转光线的薄膜
激光束是线性偏振的——光线恰好在垂直方向上振荡。然后光束击中一层只有几纳米厚的特殊材料。这种材料具有改变光的偏振方向的特性。
“旋转激光束偏振的材料本身并不罕见。不同的材料可以做到这一点；材料层越厚，激光的偏振旋转得越多。但我们在这里处理的是完全不同的效果，”Andrei Pimenov 解释道。“在我们的例子中，极化不是连续旋转的——它是跳跃的。”
当穿过薄膜时，光的偏振方向会发生量子跃迁。穿过后，光波的振荡方向与之前不同。而当计算出这个跳跃的大小时，一个惊人的结果出现了：这个角度变化的量子恰好就是精细结构常数。
“因此，我们可以直接接触到一些非常不寻常的东西：旋转量子，”Andrei Pimenov 说。“精细结构常数以角度的形式立即可见。”
参考资料：Alexey Shuvaev、Lei Pan、Lixuan Tai、Peng Zhang、Kang L. Wang 和 Andrei Pimenov 的“基于量子反常霍尔效应的万向旋转规范”，2022 年 11 月 7 日，Applied Physics Letters。
DOI：10.1063/5.0105159