微細構造定数

微細構造定数：電磁相互作用の強さを測る指標

微細構造[定数]は、電磁相互作用の強さを表す物理定数です。結合定数の一つであり、素粒子の4つの基本相互作用（電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用、重力相互作用）のうちの電磁相互作用の強さを数値で示すものです。量子電磁力学を始めとする素粒子物理学において極めて重要な役割を果たしています。

1916年、アルノルト・ゾンマーフェルトによって、水素原子スペクトル線の微細構造を説明する過程で導入されました。当初は原子構造の解明に用いられていましたが、現在では原子構造にとどまらず、より普遍的な素粒子の電磁相互作用の強さを表す定数として認識されています。

微細構造定数の値

微細構造定数は無次元量であるため、単位系に依存せず、その値は常に一定です。2022年のCODATA推奨値によると、その値はα = 7.297 352 5643(11) × 10⁻³ とされています。逆数（α⁻¹）で表されることも多く、この値は約137.035 999 177(21)です。括弧内の数値は測定における不確かさを示しています。

他の物理定数との関係

微細構造[定数]]は、プランク[[定数]、[電気素量]、真空の[特性インピーダンス]といった他の基本的な物理定数と以下の関係で結ばれています。

α = e²/(2ε₀hc) = e²/4πε₀ħc = e²/2ħc

ここで、ε₀は真空の誘電率、cは光速、ħはディラック定数です。 使用する単位系によって、この式は様々な表現に変化します。例えば、自然単位系ではc=ħ=1と置くことで、α=e²/2と簡略化できます。

微細構造定数の測定

微細構造定数の精度の高い測定は、現代物理学における重要な課題の一つです。近年、その測定精度は飛躍的に向上しており、主な測定手法としては、以下の2つが挙げられます。

1. 異常磁気モーメントの測定: 電子の異常磁気モーメント(ae)は、微細構造定数と密接に関連しています。高精度なaeの測定から、αの値を高精度に決定できます。近年、ハーバード大学やノースウェスタン大学の研究グループが、電子及びミュー粒子の異常磁気モーメントの高精度測定を通して微細構造定数の値を求めています。

2. 原子反跳の測定: [光子]]を吸収した原子は反跳しますが、この反跳速度を精密に測定することで、微細構造定数を決定できます。特にセシウム]や[ルビジウム]などの原子を用いた実験が盛んに行われており、[[カリフォルニア大学バークレー校やカストレル・ブロッセル研究所などの研究グループから高い精度の測定結果が報告されています。

SI単位系の再定義の影響

2019年に国際単位系(SI)が再定義され、プランク[[定数]]と電気素量が定義値となりました。これにより、微細構造定数の測定方法や不確かさの評価にも変化が生じています。

多元宇宙論との関連

近年、多元宇宙論の文脈において、微細構造定数の値が、宇宙の物理法則や構造を決定する上で重要な役割を果たしているという考え方が注目されています。

R.P.ファインマンの言葉

量子電磁力学(QED)のパイオニアであるリチャード・ファインマンは、微細構造定数の謎めいた性質について、彼の著作の中で興味深いコメントを残しています。この定数の値は、現在の物理学における未解明な問題の一つであり、今後の研究によってさらに解明されていくことが期待されます。

参考文献

本文中に記載されている論文や書籍は、微細構造定数に関するより詳細な情報を得るために役立ちます。 NISTのウェブサイトも、この定数に関する最新の値や情報を得るのに最適なリソースです。

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