Paul M. Sutter è astrofisico presso SUNY Stony Brook e il Flatiron Institute, ospite di “Chiedi a un astronauta” e “Radio spaziale“e autore di”Come morire nello spazio. “
Un numero casuale apparentemente innocuo senza unità o dimensioni è spuntato in così tanti punti della fisica e sembra controllare una delle interazioni più fondamentali nell’universo.
Il suo nome è il costante di struttura fineed è una misura della forza dell’interazione tra le particelle cariche e il elettromagnetico forza. La stima attuale della costante di struttura fine è 0,007 297 352 5693, con un’incertezza di 11 sulle ultime due cifre. Il numero è più facile da ricordare per il suo inverso, circa 1/137.
Se avesse qualche altro valore, la vita come la conosciamo sarebbe impossibile. Eppure non abbiamo idea da dove provenga.
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Una bella scoperta
Gli atomi hanno una curiosa proprietà: possono emettere o assorbire radiazioni di lunghezze d’onda molto specifiche, chiamate righe spettrali. Quelle lunghezze d’onda sono così specifiche a causa della meccanica quantistica. Un elettrone in orbita attorno a un nucleo in un atomo non può avere un’energia qualsiasi; è limitato a specifici livelli di energia.
Quando gli elettroni cambiano livello, possono emettere o assorbire radiazioni, ma quella radiazione avrà esattamente la differenza di energia tra questi due livelli e nient’altro, da qui le lunghezze d’onda specifiche e le righe spettrali.
Ma all’inizio del XX secolo, i fisici iniziarono a notare che alcune linee spettrali erano divise o avevano una “struttura fine” (e ora puoi vedere dove sto andando con questo). Invece di una sola riga, a volte c’erano due linee molto strettamente separate.
La spiegazione completa per la “struttura fine” della linea spettrale risiede nella teoria quantistica dei campi, un connubio tra meccanica quantistica e relatività speciale. E una delle prime persone a tentare di capirlo è stato il fisico Arnold Sommerfeld. Ha scoperto che per sviluppare la fisica per spiegare la divisione delle righe spettrali, doveva introdurre una nuova costante nelle sue equazioni: una costante di struttura fine.
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L’introduzione di una costante non era poi così nuova o eccitante all’epoca. Dopotutto, le equazioni della fisica nel corso della storia hanno coinvolto costanti casuali che esprimono i punti di forza di varie relazioni. Isacco Newton‘s formula per universale gravitazione aveva una costante, chiamata G, che rappresenta la forza fondamentale dell’interazione gravitazionale. La velocità della luce, c, ci parla della relazione tra campi elettrici e magnetici. La costante elastica, k, ci dice quanto è rigida una particolare molla. E così via.
Ma c’era qualcosa di diverso nella piccola costante di Sommerfeld: non aveva unità. Non ci sono dimensioni o sistema di unità da cui dipende il valore del numero. Le altre costanti in fisica non sono così. Il valore effettivo del velocità della luce, ad esempio, non ha molta importanza, perché quel numero dipende da altri numeri. La tua scelta di unità (metri al secondo, miglia orarie o leghe per quindici giorni?) E le definizioni di quelle unità (esattamente quanto sarà lungo un “metro”?) Contano; se ne modifichi uno, il valore della costante cambia insieme ad esso.
Ma questo non è vero per la costante di struttura fine. Puoi avere qualsiasi sistema di unità desideri e qualsiasi metodo per organizzare l’universo come desideri, e quel numero sarà esattamente lo stesso.
Se dovessi incontrare un alieno da un lontano sistema stellare, avresti difficoltà a comunicare il valore della velocità della luce. Una volta individuato il modo in cui esprimiamo i nostri numeri, dovresti definire cose come metri e secondi.
Ma la costante di struttura fine? Potresti semplicemente sputarlo e loro lo capirebbero (purché contino i numeri allo stesso modo di noi).
Il limite della conoscenza
Sommerfeld originariamente non ha pensato molto alla costante, ma alla nostra comprensione della mondo quantistico crebbe, la costante della struttura fine iniziò ad apparire in sempre più luoghi. Sembrava spuntare ogni volta che le particelle cariche interagivano con la luce. Col tempo, siamo arrivati a riconoscerla come la misura fondamentale per la forza di come le particelle cariche interagiscono con la radiazione elettromagnetica.
Cambia quel numero, cambia l’universo. Se la costante di struttura fine avesse un valore diverso, gli atomi avrebbero dimensioni diverse, la chimica cambierebbe completamente e le reazioni nucleari sarebbero alterate. La vita come la conosciamo sarebbe del tutto impossibile se la costante di struttura fine avesse anche un valore leggermente diverso.
Allora perché ha il valore che ha? Ricorda, quel valore stesso è importante e potrebbe anche avere un significato, perché esiste al di fuori di qualsiasi sistema di unità che abbiamo. Semplicemente… è.
All’inizio del XX secolo si pensava che la costante avesse un valore esattamente di 1/137. Cosa c’era di così importante nel 137? Perché quel numero? Perché non letteralmente qualsiasi altro numero? Alcuni fisici sono arrivati persino a tentare la numerologia per spiegare le origini della costante; per esempio, il famoso astronomo Sir Arthur Eddington “calcolato” che l’universo conteneva 137 * 2^ 256 protoni, quindi “ovviamente” anche 1/137 era speciale.
Oggi non abbiamo alcuna spiegazione per l’origine di questa costante. In effetti, non abbiamo alcuna spiegazione teorica per la sua esistenza. Lo misuriamo semplicemente negli esperimenti e poi colleghiamo il valore misurato alle nostre equazioni per fare altre previsioni.
Un giorno, a teoria del tutto – una teoria fisica completa e unificata – potrebbe spiegare l’esistenza della costante di struttura fine e di altre costanti simili. Sfortunatamente, non abbiamo una teoria su tutto, quindi siamo bloccati a scrollare le spalle.
Ma almeno sappiamo cosa scrivere sui nostri biglietti di auguri per gli alieni.
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