精细结构常数是最重要的自然常数之一。TUWien发现了一种非凡的测量方法——它显示为旋转角度。

研究人员报告了测量精细结构常数的新技术

大于137：这是物理学中最重要的数字之一。它是所谓的精细结构常数的近似值——一个在原子和粒子物理学中非常重要的物理量。

测量精细结构常数的方法有很多种——通常是间接测量，通过测量其他物理量并用它们来计算精细结构常数。然而，在维也纳工业大学，现在已经进行了一项实验，可以直接测量精细结构常数本身——作为一个角度。

1/137——宇宙密码

精细结构常数描述了电磁相互作用的强度。它表示电子等带电粒子对电磁场的反应强度。如果精细结构常数有不同的值，我们的宇宙就会看起来完全不同——原子会有不同的大小，所以所有的化学反应都会不同，恒星中的核聚变也会完全不同。

一个被广泛讨论的问题是精细结构常数是否实际上是常数，或者它是否可能在数十亿年的时间里改变了它的值。

直接测量而不是计算

“大多数重要的物理常数都有一个特定的单位——例如，光速，可以以米每秒为单位给出，”维也纳工业大学固体物理研究所的安德烈·皮梅诺夫教授说。“它与精细结构常数不同。它没有单位，它只是一个数字——它是无量纲的。”

但通常在测量精细结构时，需要测量各种不同物理单位的量，然后从这些结果中推断出精细结构常数的值。“另一方面，在我们的实验中，精细结构常数本身变得直接可见，”AndreiPimenov说。

旋转光线的薄膜

激光束是线性偏振的——光在垂直方向上精确振荡。然后光束击中一层只有几纳米厚的特殊材料。这种材料具有改变光的偏振方向的特性。

“'旋转激光束偏振的材料本身并没有什么不寻常的。不同的材料可以做到这一点;材料层越厚，激光的偏振旋转得越多。但我们正在处理完全不同的效果在这里，”AndreiPimenov解释道。“在我们的例子中，极化不是连续旋转的——它是跳跃的。”

当穿过薄膜时，光的偏振方向会发生量子跃迁。穿过后，光波的振荡方向与之前不同。而当计算出这个跳跃的大小时，一个惊人的结果出现了：这个角度变化的量子恰好就是精细结构常数。

“因此，我们可以直接接触到一些非常不寻常的东西：旋转量子，”AndreiPimenov说。“精细结构常数作为一个角度立即可见。”