Стала тонкої структури - її позначають грецькою буквою «альфа» (α) - була введена німецьким фізиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом в 1916 році, ще до створення квантової механіки. У Зоммерфельда вона з'явилася в розрахунках, що описують дуплетним розщеплення енергетичних рівнів (і, відповідно, спектральних ліній) водородоподобного атома моделі Бора, обумовлене релятивістськими ефектами. Таке розщеплення називається тонкою структурою спектра, звідси і назва константи. Пізніше з'ясувалося, що воно викликане взаємодією між орбітальним і спінові моментами електрона, яке саме по собі є релятивістський ефект.
У 1916 році поняття спина ще не існувало, і Зоммерфельд отримав свої результати, обчислюючи енергію електрона з точністю до квадрата відносини його лінійної швидкості v (яка тоді ще визначалася суто класично) до швидкості світла c. (V / c) 2. В ці розрахунки постійна тонкої структури увійшла як відношення швидкості електрона на нижній круговій орбіті до швидкості світла. В системі одиниць CGSE вона записується за допомогою простої формули:
Тут e - заряд електрона, c - швидкість світла, - скорочена постійна Планка, або постійна Дірака (= h / 2π. Де h - постійна Планка. Зв'язує величину енергії електромагнітного випромінювання з його частотою). α - це безрозмірна величина, її чисельне значення дуже близько до 1/137.
Фізичний сенс постійної тонкої структури радикально змінився після створення квантової електродинаміки. У цій теорії електрично заряджені частинки взаємодіють завдяки обміну віртуальними фотонами. Стала тонкої структури там виникає як безрозмірний параметр, що характеризує інтенсивність цієї взаємодії.
Найбільш наочно все роль «альфи» проявляється при розрахунку різних ефектів за допомогою діаграм Фейнмана. які служать основним методом наближених обчислень в квантової електродинаміки. Кожна вершина Фейнмановские діаграми привносить в чисельне значення амплітуди обчислюється процесу множник, рівний квадратному кореню з альфи. Оскільки виникають в розрахунках внутрішні лінії мають по два кінця, додавання кожної такої лінії дає множник, пропорційний альфа. Саме завдяки малості постійної тонкої структури в квантової електродинаміки можна виробляти наближені розрахунки, розкладаючи обчислювані величини в ряди по її ступенями. Правда, підрахунок деяких діаграм дає нескінченності, але в квантової електродинаміки від них можна позбавлятися в допомогою так званої перенормування (втім, це вже деталі).
В кінці 60-х років квантова електродинаміка отримала узагальнення у вигляді єдиної теорії електрослабкої взаємодії. У цій теорії «альфа» зростає пропорційно логарифму характерною енергії фізичного процесу і тому вже не є константою. Формулі Зоммерфельда відповідає граничне значення «альфи» при мінімально можливих енергіях електромагнітної взаємодії. Оскільки найлегшими частинками з електричним зарядом є електрони і позитрони, цей мінімум досягається при енергії, рівній масі електрона, помноженої на квадрат швидкості світла. Згідно з деякими гіпотезами, альфа може також залежати і від часу, проте це поки що не доведено.
Як відомо, магнітний момент електрона пропорційний твору його спина на магнетон Бора. Коефіцієнт пропорційності прийнято позначати латинською літерою g. Згідно релятивістської теорії електрона, сформульованої в 1928 році Полем Діраком, g = 2. Це значення два десятиліття брали на віру, проте в 1948 році Полікарп Куш і Генрі Фолі експериментально довели, що g приблизно дорівнює 2,002. Одночасно один з творців квантової електродинаміки Юліус Швінгер отримав ту ж величину теоретично. Квантова електродинаміка пояснює перевищення g-фактор над діраковской значенням тим, що магнітний момент збільшується завдяки народженню віртуальних частинок і поляризації вакууму. З тих пір g-фактор не раз вимірювався на досвіді і підраховується на основі рівнянь квантової електродинаміки, причому кожен раз результати збігалися з усе більш високою точністю. У 1987 році Ганс Демелт і його колеги зміряли g-фактор з точністю до чотирьох трильйонних, за що двома роками пізніше Ганс Демелт був удостоєний Нобелівської премії.
Розрахунки Кіношіти і Нио дозволили представити g-фактор у вигляді кінцевого ряду Тейлора, що обривається на члені, пропорційному четвертого ступеня постійної тонкої структури α. Для експериментальної перевірки цього значення точність результатів групи Демелта була недостатньою. Габріельса і члени його групи заново виміряли g-фактор за допомогою приладу, який вони назвали одноелектронні циклотроном.
Це пристрій був створений Габріельса і Стівеном Пейл ще в кінці минулого десятиліття і з тих пір безперервно удосконалювалося. Воно являє собою невелику провідну порожнину, в якій за допомогою змінних електромагнітних полів замкнений один-єдиний електрон (фактично, це модифікація давно відомого пристрою, званого пасткою Пеннінга). При проведенні вимірювань включається магнітне поле, спрямоване вздовж осі приладу. Присутність цього поля змушує електрон рухатися по спіралі з циклотронною частотою fc і одночасно прецессировать навколо вектора поля з частотою fs.
Відповідно до теорії, g-фактор перевищує двійку на величину, рівну (fs - fc) / fc. Чисельник і знаменник цього дробу і були визначені експериментально. Ці вимірювання зажадали надзвичайно точного розрахунку геометрії внутрішньої порожнини пастки і її охолодження до 0,1 К - все це було необхідно, щоб забезпечити стабільність електронних орбіт, оскільки вимірювання проводилися протягом багатьох годин. Експериментаторам довелося навіть прийняти до уваги релятивістські поправки, хоча вони були вкрай малі через дуже низької енергії електрона.
В кінцевому рахунку, експеримент дав значення g / 2 = 1,00115965218085, причому можлива помилка не перевищує 0,76 трильйонних (тобто точність групи Демелта поліпшена шестикратно). Це значення g-фактор дозволило обчислити і величину альфа, яка виявилося рівної 1 / +137,035999710 з похибкою порядку 0,7 мільярдних (десятикратне поліпшення в порівнянні з попередніми результатами).
Настільки помітне уточнення розрахункової величини постійної тонкої структури створює можливість для виявлення меж квантової електродинаміки. В її основі лежить припущення, що електрон і позитрон є точкові частинки. Якщо, як стверджують деякі гіпотези, електрон і позитрон мають внутрішньою структурою, вона повинна вплинути на значення альфи. (Правда, постійна тонкої структури також включає дуже невеликі добавки, обумовлені сильним і слабким взаємодією, проте фізики з групи Габріельса вважають, що їх вдасться прийняти до уваги).
Тепер фізикам потрібно знову якомога точніше виміряти постійну тонкої структури іншими способами (це робиться, наприклад, за допомогою таких твердотільних феноменів, як ефект Джозефсона і квантовий ефект Холла, а також за допомогою розсіювання фотонів на атомах рубідію) і зіставити отримані результати з оцінкою групи Габріельса . Хто знає, що з цього вийде?