Konštanta jemnej štruktúry

História

Konštantu jemnej štruktúry zaviedol Arnold Sommerfeld v roku 1916 ako mieru relativistickej odchýlky spektrálnych čiar od Bohrovho modelu atómu. Názov konštanty odkazuje na jej úlohu vo vzťahoch pre rozštiepenie spektrálnych čiar (tzv. jemná štruktúra), ktoré je spôsobené relativistickými javmi a tzv. spinorbitálnou interakciou.

Merania

Definičný vzťah skladá  z rôznych konštánt, ktoré môžu byť nezávisle zmerané. Okrem toho ale kvantová elektrodynamika (QED) dáva možnosť merať  priamo pomocou tzv. kvantového Hallovho javu alebo anomálneho magnetického momentu elektrónu.
QED predpovedá vzťah medzi bezrozmerným magnetickým momentom elektrónu  a konštantou jemnej štruktúry . Nové merania  pomocou jednoelektrónového kvantového cyklotrónu kombinované s výpočtom 891 Feynmanových diagramov so štyrmi slučkami dávajú dosiaľ nejpresnejšiu hodnotu .
Nepresnosť takýchto meraní je zhruba desaťkrát menšia ako pri konkurenčných metódach. Porovnanie vypočítaných a nameraných hodnôt  vystavuje kvantovú elektrodynamiku tvrdému testovaniu a dôsledkom zhody je obmedzenie možnosti pre hypotetickú vnútornú štruktúru elektrónu.

Časové zmeny

Fyzici sa často zaoberajú otázkou, či sa konštanta jemnej štruktúry nemohla počas vývoja vesmíru meniť. Merania sú vždy založené na porovnávaní súčasnej hodnoty  s pozorovaním vzdialeného vesmíru, ktorý vidíme, ako vyzeral pred miliardami rokov. Dosiaľ žiadne opakované merania spoľahlivo nedokázali akúkoľvek zmenu v hodnote tejto konštanty vrátane posledných meraní ďalekohľadom Very Large Telescope v roku 2004. Podľa tohoto merania nemôže byť relatívna zmena väčšia než . To je v rozpore s výsledkami meraní z roku 1999, ktoré previedol tím vedený Johnom K. Webbom, podľa ktorých bola zistená väčšia odchýlka. Stále prebieha diskusia o možných systematických chybách a snaha o získanie spoľahlivejších dát.
V roku 2007 navrhli Benjamin Wandelt a Rishi Khatri z Univerzity v Illinois experiment s rozsiahlym poľom antén, ktorý by sa mohol uskutočniť v Novom Mexiku po dostavaní rádiovej siete LWA. Prvý raz v histórii by mala byť premeraná čiara 21 cm v spektre reliktného žiarenia. Z takéhoto merania možno určiť hodnotu  v dobe tzv. temného veku vesmíru (380 tisíc až 400 miliónov rokov po Veľkom tresku), pretože už vtedy existoval atomárny vodík, ktorý pohlcoval reliktné fotóny na tejto vlnovej dĺžke. Problémom môže byť, že atomárneho vodíku je vo vesmíre dosť aj dnes, takže bude problematické odlíšiť vtedajšiu absorpciu od novšej. Pokiaľ sa ale konštanta jemnej štruktúry zmenila, malo by to byť pozorovateľné.

Antropické vysvetlenie

Jedno z kontroverzných vysvetlení hodnoty tejto konštanty je založené na antropickom princípe. Hovorí, že keby jej hodnota bola iná, neboli by žiadni živí pozorovatelia, aby o tom mohli polemizovať. Napríklad zmena o nepatrné 4% by spôsobila, že pri jadrovej fúzii vo vnútri hviezd by sa nevytvoril žiadny uhlík. Keby bolo , nedošlo by k fúzii vôbec, pretože gravitácia by neprekonala elektrostatické odpudzovanie atómových jadier.

Numerologické vysvetlenia

Mnoho ľudí sa pokúšalo a dodnes sa pokúša zapísať hodnotu  ako kombináciu čisto matematických konštánt (Ludolfovo číslo, Eulerovo číslo) a matematických operácií (podiel, sínus, určitý integrál a mnoho ďalších). Na pozadí týchto snáh je viera, že by mala existovať fyzikálna teória, ktorá bez ohľadu na meranie dokáže hodnoty konštánt logicky vysvetliť a poskytnúť matematicky jednoduché vzťahy. Takýchto kombinácií je však prekvapivo veľa a pre žiadnu dodnes nie je známy seriózny teoretický podklad, prečo by to mala byť práve táto. Richard Feynman ju označil za jednu z najväčších záhad fyziky – magické číslo, ktorému ľudia vôbec nerozumejú.
Najznámejší z týchto pokusov o logické vysvetlenie predviedol Arthur Eddington, ktorý dokazoval, prečo prevrátená hodnota  musí byť celé číslo a prečo práve 136, čo bola vtedy udávaná hodnota. Neskoršie presnejšie merania sa priblížili k hodnote 137, na čo Eddington reagoval opravou dôkazu. Ešte neskôr však merania dokázali, že hodnota vôbec nie je celočíselná.