概述

精细结构常量的意义

精细结构常量的数值

概述

精细结构常量,是物理学中一个重要的无量纲数，常用希腊字母α表示。

精细结构常数表示电子运动速度和光速的比值,计算公式为 α=(e^2)/(2ε0*h*c)(其中 e 是电子的电荷， ε0 是真空介电常数， h 是普朗克常数， c 是真空中的光速)

精细结构常数是一个数字,单位为1(或说是没有单位)

α^-1≈137(.03599976),α或=0.007297352533

精细结构常量的意义

从表面看来，精细结构常数 α 只不过是另外一些物理常数的简单组合。然而，量子理论以后的发展表明，精细结构常数其实具有更为深刻的物理意义。无论是玻耳模型还是索末斐模型，它们都只是量子理论发展早期的一些半经典半量子的理论。它们虽然成功地解释了氢原子光谱及其精细结构，但是在处理稍为复杂一些的具有两个电子的氦原子时就遇到了严重的困难。以后薛定谔建立的量子波动力学对氢原子有了更好的描述。狄拉克又进一步把量子波动力学与相对论相结合起来，提出了电子的相对论性量子力学方程——狄拉克方程。狄拉克方程不但更好地解释了光谱的精细结构——认为它是电子的自旋磁矩与电子绕核运行形成的磁场耦合的结果，而且还成功地预言了正电子的存在。

而描述光与电磁相互作用最为完善的理论，是量子电动力学。量子电动力学认为，两个带电粒子（比如两个电子）是通过互相交换光子而相互作用的。这种交换可以有很多种不同的方式。最简单的，是其中一个电子发射出一个光子，另一个电子吸收这个光子。稍微复杂一点，一个电子发射出一个光子后，那光子又可以变成一对电子和正电子，这个正负电子对可以随后一起湮灭为光子，也可以由其中的那个正电子与原先的一个电子一起湮灭，使得结果看起来像是原先的电子运动到了新产生的那个电子的位置。更复杂的，产生出来的正负电子对还可以进一步发射光子，光子可以在变成正负电子对……而所有这些复杂的过程，最终表现为两个电子之间的相互作用。量子电动力学的计算表明，不同复杂程度的交换方式，对最终作用的贡献是不一样的。它们的贡献随着过程中光子的吸收或发射次数呈指数式下降，而这个指数的底，正好就是精细结构常数。或者说，在量子电动力学中，任何电磁现象都可以用精细结构常数的幂级数来表达。这样一来，精细结构常数就具有了全新的含义：它是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量，或者说，它就是电磁相互作用的强度。

在量子电动力学之后，又发展出描述强相互作用（把质子、中子束缚在一起形成原子核的相互作用）的量子色动力学，和能描述弱相互作用（控制原子核衰变的相互作用）的弱电统一理论。与量子电动力学相似，这些理论都把相互作用看作是粒子之间相互交换某种粒子的结果。强相互作用是“色荷”之间交换“胶子”的结果，而弱相互作用是交换一种带电的叫“W+”、“W-”的，或不带电的叫“Z0”的东西的结果。自然，在这些理论中，也有着类似于精细结构常数的东西。强相互作用的“精细结构常数”比电磁精细结构常数大得多，因此“强相互作用”也比电磁相互作用大得多。

精细结构常量的数值

既然精细结构常数对电磁相互作用如此重要，自然有物理学家希望通过纯理论的手段计算出这个常数来。大半个世纪以来，这方面的尝试可以说是没有停顿过，有关的论文发表了一篇又一篇。然而到目前为止，还没有哪一位真正取得过成功。正如费因曼所说的：“这个数字自五十多年前发现以来一直是个谜。所有优秀的理论物理学家都将这个数贴在墙上，为它大伤脑筋……它是物理学中最大的谜之一，一个该死的谜：一个魔数来到我们身边，可是没人能理解它。你也许会说‘上帝之手’写下了这个数字，而‘我们不知道他是怎样下的笔’” 。

英国物理学家爱丁顿（就是那个去非洲观测日全食验证广义相对论的爱丁顿）是最早一位尝试用纯理论方法计算精细结构常数的科学家。他用纯逻辑证明，精细结构常数应当等于

1 / α = (162-16) / 2 + 16 = 136

这与当时的实验结果相符合。后来，更精确的实验结果出来了，发现精细结构常数更接近于1/137，于是爱丁顿发现他原先的计算中有个小错误，改正了那个错误之后，他又断定一定等于整数137。据说，他的学生知道此事后，便开玩笑给他们的老师起了个绰号叫“爱丁旺”（Adding-One）。

爱丁顿的尝试当然是失败的，因为后来的实验数据表明，1/α并不是一个整数。以后的科学家们不断进行尝试，所得的计算公式也是五花八门，无奇不有。这里不妨列举几个例子看看：

α = (9 / 8π4)(π5 / 245!)1/4 = 0.00729734813

α = (1-1/(30×127))/137 = 0.00729735426

α = cos(π/137)/137 = 0.00729735101

这些计算结果虽然很接近真实的数值，但是它们的命运与爱丁顿一样，都被日渐提高的实验精度所否定。

精细结构常数的计算，当然也吸引了相当一批“江湖科学家”。例如，一位据称是中国科技大学科技史与科技考古系的研究生，居然能从北宋邵雍数学学派的观点出发，认定“现时宇宙的测量模型”为“阴阳阳阳阴阳阳阳”，再把这一串“阴”和“阳”当作二进制数，附会出 1/α=1+10001000b 。再根据什么“变机”和“化机”的“高次修正”，得到 1/α=137.03598821925。如此穿凿附会的“研究”，也算一奇。