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精细结构常数是物理学中一个重要的无量纲数用希腊字母α表示。 计算公式： α=e2/(4πε0cħ)（其中e是电子的电荷，ε0 是真空介电常数， ħ是约化普朗克常数，c 是真空中的光速） 精细结构常数表示：电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空中光速的比值。 精细结构常数（α）存在的物理意义 1913年玻尔发表的氢原子模型，假设电子只在一些具有特定能量的轨道上绕核作圆周运动，这些特定的能量称为电子的能级。在玻尔之后，阿诺德·索末斐对他的氢原子模型作了几方面的改进。首先，索末斐认为电子并不是绕固定不动的原子核转动，而是原子核和电子绕着他们的共同质心转动。其次，电子绕核运行的轨道不必是一个正圆可以是椭圆。最后，因为核外电子的运动速度很快，有必要计及质量随速度变化的相对论效应。在经过这样改进之后，索末斐发现电子的轨道能级除了跟原来玻尔模型中的轨道主量子数n（主量子数n是与能层对应的量子数。主量子数只能取正整数的值。当主量子数增加时，原子轨道变大，原子的外层电子将处于更高的能量值。它用来描述原子中电子出现几率最大区域离核的远近，或者说它是决定电子层组数的。）有关外，还跟另一个角量子数k（角量子数k决定电子空间运动的角动量，以及原子轨道或电子云的形状。由于电子绕核运动时，不仅具有一定的能量，而且也具有一定的角动量。故而，引入角量子数。）有关。对于某个主量子数n，可以取n个不同的角量子数。这些具有相同主量子数但不同角量子数的轨道之间的能级有一个微小的差别。索末斐认为，正是这个微小的差别造成了原子光谱的精细结构。 意义一：精细结构代表了具有相同主量子数但不同角量子数的轨道之间能级的微小差别。 在量子电动力学中，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。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。 意义二：精细结构常数是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量，它就是电磁相互作用的强度。 结论：精细结构是指在微观时空中相同主量子数但不同角量子数轨道能级之间存在的差异。精细结构常数大小等于电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空中光速的比值。精细结构常数的含义代表了电磁相互作用的强度。 探讨1：精细结构常数是否变化？ 首先，精细结构是由微观能级轨道差异导致的（与电子自身在空间运动状态决定）。其次，精细结构常数是用数值对精细结构的准确描述。因此，精细结构常数是否变化取决于宇宙微观时空结构的状态（即宇宙时空结构在微观处于变化状态还是稳定状态）。 1948年物理学家爱德华·特勒等人提出精细结构常数与万有引力常数之间可能有一定的联系，他们推测，精细结构常数正以约每年3万亿分之一的速度在增大。然而，广义相对论（以及一切几何化的引力理论）的基础是等效原理，它要求任何在引力场中作自由落体的局域参照系中所做的非引力实验都有完全相同的结果，而与实验进行的时间地点无关。广义相对论却不允许精细结构常数随时间改变。 1997年，澳大利亚科学家韦伯等人利用夏威夷天文台的全世界最大的光学望远镜，观测了17个极亮的类星体，通过光谱分析，得出120亿年前，精细结构常数比当前小约十万分之一。 1998年韦伯与新南威尔士大学的同事合作，开发了一种能分析上述吸收光谱的新方法，并将其应用于凯克望远镜捕获的类星体数据。他们取得了首个成果：在120~60亿年前，精细结构常数平均增加了百万分之六。 今年11月，甚大望远镜的一台新仪器（ESPRESSO）将被启用。据我们预测，到2019年底，我们将能够确认或是否定，精细结构常数究竟是否存在数十万分之一的变化。 精细结构常数不同变化带来的后果：如果α的值太大，则质子间的排斥力增加，小质量原子核将不能结合在一起，进而恒星内的核聚变将停止，无法产生生命所依赖的碳元素；如果α的值太小，则分子键将在较低温度下断裂，这将改变许多重要的生命演化进程。 探讨2：变化的精细结构常数可能带来的新物理学意义！ 精细结构是宇宙时空微观结构的体现，变化的精细结构常数可能预示着额外的维度。弦理论提出，存在我们看不到的微小卷曲维度，它影响着像精细结构常数这样的自然常数。如果存在额外的维度，那么这些‘自然常数’就会受到影响，其数值就会发生变化。如果真有九个或十个维度的空间，其中只有三个是宏观可见的，那么那些真正恒定的自然常数便存在于总维度中。而我们观察到的仅是它们在三维空间的投影，这也就不再是真正的常数了。 |
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