在物理学中,精细结构常数,又称索末菲常数,是由德国理论物理学家阿诺德·索末菲于1915年引入量子物理学的。在高斯单位体系中,精细结构常数可以用三个非常基本的物理参数来表示,即电子电荷、光速和约化普朗克常数,它描述了带电粒子之间电磁相互作用的强度,其在低能级的值约为1/137。2005年,慕尼黑大学物理系为纪念培养了多位诺贝尔奖获得者的杰出科学前辈、伟大教育家索末菲,成立了索末菲理论物理中心,并在办公楼内树立了他的铜像,刻有表情α。
伟大的物理学家恩利克·费密有一张黑板前讲课的图片,上面赫然写着精细结构常数α的表达式。仔细对比就会发现,费米写出了这个著名的常数!这是开玩笑吗?谁知道呢!其实写错了也没关系,因为大科学家忘记细节的情况并不少见,最重要的是他们的科学思想往往超出常人的想象。但是费米是意大利人。一般来说,意大利人做事比较不拘小节,至少没有德国人严谨细致。所以,如果索末菲知道地下有什么,他可能只会摇头,耸耸肩,摊开双手,对着费米广为流传的照片微笑。
1913年,丹麦著名物理学家尼尔斯·尼尔斯·玻尔建立了非相对论氢原子模型,并获得了量子化氢原子的能级。两年后,索末菲将玻尔理论推广到椭圆轨道的情况,考虑了相对论的修正效应,重新计算了氢原子的能级,得到了与实验结果一致的氢原子光谱精细结构。当时很多物理学家认为玻尔和索末菲的氢原子理论已经达到了诺贝尔奖的高度,应该一起获奖。但是玻尔在1922年被授予诺贝尔物理学奖,这让索末菲和其他同事感到非常遗憾。根据诺贝尔基金会后来解密的文件,玻尔本人反对与索末菲分享诺贝尔奖,尽管他们是好朋友。似乎在荣誉和友谊面前,德高望重的玻尔不能两全其美。
精细结构常数的低能量值约为1/137,但当能量增加到电弱对称破缺的能量标准时,由于量子修正效应,参数也会增加到1/128。据说物理学大师理查德·费曼对这个神秘的参数深感忧虑,他办公室的黑板上总是写着137,提醒自己和他人物理学中还有多少未知。
阿诺德·索末菲和玻尔
事实上,早在1929年左右,英国天文学家阿瑟·爱丁顿就猜测精细结构常数α的倒数可能严格等于136。当进一步的实验结果表明α的倒数更接近137时,他转而迷上了幻数137,以至于他的学生和朋友都称他为“阿瑟加一”(即137 = 136+1)。
索末菲教授最喜欢的学生沃纳·海森堡和沃尔夫冈·泡利也一生都在试图计算精细结构常数的倒数,但都失败了。1958年泡利在苏黎世某医院去世时,发现他死在137病房!这可能是巧合,也可能是他生前导演并亲自表演的恶作剧?
爱开玩笑的美国实验物理学家利昂·莱德曼不愿意为神奇数字137感到孤独。他擅自把自己家在费米实验室附近的门牌号取为137,尽管周围没有那么多房子。在他的科普名著《上帝粒子:如果宇宙是答案,那问题是什么?《上帝粒子:如果宇宙是答案,问题是什么?),他详细讨论了精细结构常数潜在的科学意义,还介绍了费曼等理论物理学家对137的好奇和困惑。
正如量子物理学的先驱之一梅克斯·玻恩在评价索末菲常数时所说,“那就是关系,这是现代理论无法提出的解释,它是未来物理学最基本的任务之一”。的确,今天我们还远远没有理解这个神秘的1/137。
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