أجرى فريق في باريس أدق قياس حتى الآن لثابت البنية-الدقيقة ، مما أدى إلى القضاء على الآمال في قوة جديدة من الطبيعة.
كما هو الحال مع الثوابت الأساسية ، فإن سرعة الضوء ، C ، تتمتع بكل الشهرة ، ومع ذلك فإن القيمة العددية لـ C لا تقول شيئًا عن الطبيعة ؛ يختلف اعتمادًا على ما إذا كان يتم قياسها بالأمتار في الثانية أو بالأميال في الساعة. على النقيض من ذلك ، فإن ثابت البنية الدقيقة ليس له أبعاد أو وحدات. إنه رقم خالص يشكل الكون إلى درجة مذهلة - "رقم سحري يأتي إلينا بدون فهم" ، كما وصفه ريتشارد فاينمان. اعتبر بول ديراك أصل الرقم "المشكلة الأساسية التي لم تحل في الفيزياء".
عدديًا ، ثابت البنية الدقيقة ، المشار إليه بالحرف اليوناني α (ألفا) ، قريب جدًا من النسبة 1/137 . يظهر بشكل شائع في الصيغ التي تحكم الضوء والمادة. قال إريك كورنيل ، الفيزيائي الحائز على جائزة نوبل في جامعة كولورادو ، بولدر والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا: "إنها مثل الهندسة المعمارية ، هناك النسبة الذهبية". قال: "في فيزياء المادة منخفضة الطاقة - الذرات والجزيئات والكيمياء والبيولوجيا - هناك دائمًا نسبة" من الأشياء الأكبر إلى الأشياء الأصغر. "تميل هذه النسب إلى أن تكون قوى لثابت البنية الدقيقة."
"عامل ثلاثة هو صفقة كبيرة. دعونا لا نخجل من وصف هذا بأنه إنجاز كبير ".
الثابت موجود في كل مكان لأنه يميز قوة القوة الكهرومغناطيسية التي تؤثر على الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات والبروتونات. "في عالمنا اليومي ، كل شيء إما جاذبية أو كهرومغناطيسية. قال هولجر مولر ، الفيزيائي بجامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، "وهذا هو سبب أهمية ألفا". لأن 1/137 صغيرة ، فإن الكهرومغناطيسية ضعيفة ؛ نتيجة لذلك ، تشكل الجسيمات المشحونة ذرات جيدة التهوية تدور إلكتروناتها عن بعد وتقفز بعيدًا بسهولة ، مما يتيح الروابط الكيميائية. من ناحية أخرى ، يكون الثابت أيضًا كبيرًا بما يكفي: جادل الفيزيائيون أنه إذا كان شيئًا مثل 1/138 ، فلن تكون النجوم قادرة على تكوين الكربون ، ولن تكون الحياة كما نعرفها موجودة.
لقد تخلى الفيزيائيون إلى حد ما عن هوس عمره قرن من الزمان حول مصدر قيمة ألفا الخاصة ؛ لقد أدركوا الآن أن الثوابت الأساسية يمكن أن تكون عشوائية ، ويتم تحديدها في لفات النرد الكونية أثناء ولادة الكون. لكن هدفاً جديداً ساد.
يريد الفيزيائيون قياس ثابت البنية الدقيقة بأكبر قدر ممكن من الدقة. نظرًا لوجودها في كل مكان ، فإن قياسها بدقة يسمح لهم باختبار نظريتهم حول العلاقات المتبادلة بين الجسيمات الأولية - مجموعة المعادلات المهيبة المعروفة باسم النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. يمكن لأي تباين بين القياسات فائقة الدقة للكميات ذات الصلة أن يشير إلى جسيمات جديدة أو تأثيرات لا تأخذها المعادلات القياسية في الحسبان. يسمي كورنيل هذه الأنواع من القياسات الدقيقة بأنها طريقة ثالثة لاكتشاف الأعمال الأساسية للكون بشكل تجريبي ، جنبًا إلى جنب مع مصادمات الجسيمات والتلسكوبات.
في ورقة بحثية جديدة نُشرت في دورية Nature ، أعلن فريق من أربعة علماء فيزيائيين بقيادة سعيدة جيلاتي-خليفة في مختبر كاستلر بروسل في باريس عن القياس الأكثر دقة حتى الآن لثابت البنية الدقيقة. قاس الفريق قيمة الثابت للمكان العشري الحادي عشر ، وأبلغ أن α = 1 / 137.035999206.
مع هامش خطأ يبلغ 81 جزءًا فقط لكل تريليون ، يكون القياس الجديد أكثر دقة بثلاث مرات تقريبًا من أفضل قياس سابق في عام 2018 من قبل مجموعة مولر في بيركلي ، المنافسة الرئيسية. (أجرت جيلاتي-خليفة القياس الأكثر دقة قبل Müller في عام 2011.) قال مولر عن قياس منافسه الجديد لـ alpha ، "عامل ثلاثة هو صفقة كبيرة. دعونا لا نخجل من وصف هذا بأنه إنجاز كبير ".
سعيدة جيلاتي-خليفة في معملها في باريس
تعمل جيلاتي-خليفة على تحسين تجربتها على مدار الـ 22 عامًا الماضية. تقيس ثابت البنية الدقيقة عن طريق قياس قوة ارتداد ذرات الروبيديوم عندما تمتص الفوتون. (يفعل مولر الشيء نفسه مع ذرات السيزيوم). وتكشف سرعة الارتداد عن مدى ثقل ذرات الروبيديوم - وهو أصعب عامل يمكن قياسه في صيغة بسيطة لثابت البنية الدقيقة. وأوضح مولر: "إنه دائمًا القياس الأقل دقة وهو عنق الزجاجة ، لذا فإن أي تحسن في ذلك يؤدي إلى تحسين ثابت الهيكل الدقيق".
بدأ المجربون في باريس بتبريد ذرات الروبيديوم تقريبًا إلى الصفر المطلق ، ثم إسقاطها في غرفة مفرغة. مع سقوط سحابة الذرات ، استخدم الباحثون نبضات الليزر لوضع الذرات في تراكب كمي لحالتين - ركلها فوتون وليس ركلًا. تسافر النسختان المحتملتان لكل ذرة في مسارين منفصلين حتى تجلب المزيد من نبضات الليزر نصفي التراكب معًا. وكلما زاد ارتداد الذرة عند ركلها بالضوء ، كلما خرجت عن الطور مع النسخة غير الملتوية من نفسها. قام الباحثون بقياس هذا الاختلاف للكشف عن سرعة ارتداد الذرات. قالت قيلاتي خليفة: "من سرعة الارتداد ، نستخرج كتلة الذرة ، وتشارك كتلة الذرة بشكل مباشر في تحديد ثابت البنية الدقيقة".
في مثل هذه التجارب الدقيقة ، كل التفاصيل مهمة. الجدول 1 في الورقة الجديدة عبارة عن "ميزانية خطأ" تسرد 16 مصدرًا للخطأ وعدم اليقين التي تؤثر على القياس النهائي. وتشمل هذه الجاذبية وقوة كوريوليس الناتجة عن دوران الأرض - تم قياسها بدقة وتعويضها. يأتي جزء كبير من ميزانية الخطأ من نقاط ضعف الليزر ، والتي أمضى الباحثون سنوات في إتقانها.
المصدر