Сложно не заметить, что в самых разных теориях и моментах, связанных с физическим знанием об устройстве природы, мы встречаем одно и тоже число. Это цифра 137. Она известна под разными именами и самое интересное тут, что повторяется независимо друг от друга в разных областях знания.
Самый известный пример - постоянная тонкой структуры. Это безразмерное число, обозначаемое α. Она определяет силу электромагнитного взаимодействия, то есть то, насколько сильно электроны и заряды взаимодействуют друг с другом. Если выписать её формулу, она связывает заряд электрона, скорость света, постоянную Планка и диэлектрическую проницаемость вакуума. Численное значение этой константы примерно равно 1/137.
Постоянная тонкой структуры по сути определяет размеры атомов, уровни энергии электронов, спектральные линии атомов, силу химических связей и даже свойства света при взаимодействии с материей. Если бы α было заметно больше, электроны слишком сильно притягивались бы к ядру и атомы бы схлопывались. Если бы оно было заметно меньше, электроны слабо удерживались бы и атомы были бы нестабильными.
В обоих случаях сложная химия и физика в привычном виде были бы невозможны.
Затем число 137 проявляется в квантовой электродинамике - теории, описывающей взаимодействие света и заряженных частиц. В вычислениях Фейнмана каждая вершина взаимодействия электрона и фотона даёт множитель, связанный с α. Чем сложнее процесс, тем больше степеней α появляется в разложениях. Поэтому точность предсказаний квантовой электродинамики напрямую связана с точным знанием этого числа. Именно благодаря этому мы можем вычислять магнитный момент электрона с точностью до двенадцатого знака после запятой.
В атомной физике 137 появляется при анализе структуры уровней энергии, так называемой тонкой структуры спектральных линий. Это релятивистские поправки к модели Бора, и именно α определяет, насколько уровни энергии расщепляются. Без этого числа спектроскопия выглядела бы совершенно иначе, и мы не смогли бы так точно определять состав звёзд и галактик по их свету.
Интересный и почти философский аспект связан с периодической таблицей. В релятивистской квантовой механике существует критическое значение заряда ядра, при котором электрон на ближайшей орбитали должен двигаться со скоростью света.
Это значение порядка ≈ 137. Формально это означает, что при элементах с зарядом ядра больше 137 стандартное описание атома ломается, и нужна более сложная теория. Да и атома существовать уже не будет. Отсюда возникли популярные мифы о «катастрофе на 137 элементе», хотя в реальности всё гораздо тоньше и такие элементы можно описывать с учётом квантовых полей и вакуумных эффектов.
Самое загадочное в числе 137 - то, что физика пока не знает, почему оно именно такое. Мы можем измерить α с фантастической точностью, но не можем вывести его из первых принципов. В теории струн, в теориях великого объединения и в попытках построить теорию всего предполагается, что однажды это число будет вычислено из фундаментальных симметрий пространства-времени. Пока же оно остаётся эмпирической константой, данностью Вселенной.
Мы привели только некоторые примеры, где проявляется цифра 137. Но практически во всех случаях учёные приходят к ней независимо друг от друга. Просто в теории относительности проявилась постоянная тонкой структуры, а в физике атома оказалось, что 137 протонов - это физический предел таблицы. Это очень важный момент. Процесс построен не на том, что ядерщики увидели постоянную тонкой структуры и решили применить её в описании ядра атома. Идея исходит из спонтанного повторения этого значения в самых разных случаях.
Именно это повторение во многом пугает физиков. Оно подсказывает, что есть некоторый скрытый уровень знания, про который нам практически ничего не известно. При этом само существование повторяющегося объекта также намекает на некоторые шаблонные взаимосвязи между всеми знаниями. В какой-то степени можно полагать, что это путь к теории всего и возможности в итоге объединить квантовую физику и физику обычную. Мы можем считать, что закономерности всё-таки едины и пока они полностью не нащупаны. Это, на удивление, важный момент.
Следующий вопрос без ответа - а почему всё так получается. Тут вариантов очень много. Начиная с того, что ученые действительно нашли что-то фундаментальное и 137 на самом деле будет встречаться в каждой базовой теории и заканчивая просто общей погрешностью вычислений. Как правильно? Пока никто не знает.
Однако уместно сказать, что если это число было бы другим, то Вселенная стала бы иной. Чуть сильнее электромагнетизм и атомы слишком компактны, а химия агрессивна и нестабильна. Чуть слабее - и молекулы распадаются, а сложные структуры не формируются. И это касается не только атомов и частиц.
Множество интересных явлений из физики частиц я разбираю в премиум-разделе проекта. Там иногда появляются и мои видео.
👍 Не забывайте подписываться и ставить лайки статье! Это важно для развития проекта.
Канал проекта в Telegram с эксклюзивными материалами