ค่าคงที่โครงสร้างละเอียด

ในวงการของฟิสิกส์ ค่าคงที่โครงสร้างละเอียด (fine-structure constant) เป็นที่รู้จักกันในชื่อ ค่าคงที่ของซัมเมอร์เฟล (Sommerfeld's constant) โดยใช้สัญลักษณ์แทนด้วยตัวอักษร α สามารถคำนวณได้จากสมการ 4πε₀ħcα = e² ที่อยู่ในทฤษฎีที่อธิบายแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในปัจจุบันเรียกกันว่า quantum electrodynamics (QED) ซึ่งเป็นทฤษฎีควอนตัมที่อธิบายปรากฎการณ์ของอนุภาคมีประจุที่ระดับพลังงานสูง ค่าแอลฟาที่คำนวณได้ประมาณ 1/137 ซึ่งเป็นค่าที่สามารถใช้ได้ในทุกระบบหน่วย

ความเป็นมา

นักฟิสิกส์ที่ชื่อว่า อาร์โน ซัมเมอร์เฟล (Arnold Sommerfeld) ได้นิยามค่าคงที่นี้ขึ้นมาในปี ค.ศ. 1916 เนื่องจากเขาต้องการที่จะศึกษาเส้นสเป็คตรัมแสดงระดับพลังงานของอะตอมไฮโดรเจน และเลข 137 นี้ได้ทำให้นักฟิสิกส์งุนงงมากว่า เหตุใดอัลฟาจึงมีค่าเท่ากับ 1/137 แม้แต่ Wolfgang Pauli นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1945 ก็ได้ครุ่นคิดและฝังใจกับเลข 137 มากจนถึงกับได้เอ่ยปากขอให้ได้สิ้นใจตายในห้องเลขที่ 137 ของโรงพยาบาลในเมือง Zurich ประเทศสวิตเซอร์แลนด์

ความสำคัญ

ค่าคงที่โครงสร้างละเอียดเป็นดัชนีบ่งบอกความแรงของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้เกิดอันตรกิริยากันระหว่างประจุ เช่น แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอน หรือแรงดึงดูดระหว่างโปรตอนกับอิเล็กตรอนเพราะอะตอมสามารถคงรูปได้ด้วยแรงไฟฟ้า ในวารสาร Physical Review Letters ฉบับวันที่ 27 สิงหาคม ค.ศ. 2001 นักดาราสาสตร์ชาวอเมริกัน อังกฤษและออสเตรเลียได้มีการนำเสนอรายงานว่า เมื่อ 10,000 ล้านปีก่อน ค่าคงที่โครงสร้างละเอียดมีค่าไม่เท่ากับในปัจจุบันวึ่งเป็นเรื่องที่สร้างความตื่นเต้นในวงการฟิสิกส์อย่างมาก ซึ่งถ้าหากค่าคงที่โครงสร้างละเอียดนี้มีค่าไม่คงที่และสามารถเปลี่ยนค่าได้จริง ธาตุต่างๆ อาจจะเกิดความไม่เสถียร ยกตัวอย่างเช่น ถ้าค่าคงที่โครงสร้างละเอียดมีค่าเท่ากับ 0.1 ไอโดรเจนจะไม่สามารถรวมตัวกับฮีเลียมได้เนื่องจากโปรตอนในนิวเคลียสจะเกิดการผลักกันอย่างรุนแรง หมายความว่า ดวงอาทิตย์ก็จะไม่สามารถคงสภาพอยู่ได้นั่นเอง

ในปัจจุบันยังไม่มีการศึกษาที่ยืนยันได้ว่าค่าคงที่โครงสร้างละเอียดสามารถเปลี่ยนแปลงค่าได้ซึ่งทำให้ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอสไตน์ยังคงมีความถูกต้องและสามารถใช้อธิบายปรากฎการณ์ต่างๆ

การนิยามเทียบกับค่าคงที่อื่นๆ

ค่าคงที่โครงสร้างละเอียดที่เขียนอยู่ในเทอมของ α มีค่าเทียบเท่ากับค่าคงที่พื้นฐานอื่นๆ ดังนี้

${\displaystyle \alpha ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {e^{2}}{\hbar c}}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {e^{2}c}{\hbar }}={\frac {k_{\text{e}}e^{2}}{\hbar c}}={\frac {c\mu _{0}}{2R_{\text{K}}}}={\frac {e^{2}}{4\pi }}{\frac {Z_{0}}{\hbar }}}$ 

เมื่อ:

• e จำนวนประจุของอิเล็กตรอน
• π ค่าคงที่ Pi มีค่าประมาณ 3.14
• ħ = h/2π ค่าคงที่ของพลังค์แบบลดค่า
• c ความเร็วแสงในสูญญากาศ
• ε₀ ค่าสภาพยินยอมในสูญญากาศ
• µ₀ ค่าสภาพซาบซึมได้ในสูญญากาศ
• k_e ค่าคงที่คูลอมบ์ (Coulomb constant)
• R_K ค่าคงที่ฟอน คลิทชิง (von Klitzing constant)
• Z₀ ค่าการเหนี่ยวนำในสูญญากาศ (vacuum impedance หรือ impedance of free space)

ค่าคงที่โครงสร้างละเอียดในระบบอื่น

ในระบบหน่วย cgs หน่วยของประจุไฟฟ้าจะถูกนิยามโดยใช้ค่าคงที่ของคูลอมบ์ (k_e) ดังนั้นค่าคงที่คงโครงสร้างละเอียดจะแสดงได้ดังสมการ

${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c}}.}$ 

ในระบบ natural units ซึ่งโดยปกติจะถูกใช้ในฟิสิกส์พลังงานสูง เมื่อ 1=ε₀ = c = ħ = 1 ค่าของค่าคงที่โคร สร้างละเอียดจะแสดงได้เป็น

${\displaystyle \alpha ={\frac {e^{2}}{4\pi }}.}$ 

ระบบนี้การนิยามค่าของประจุอิเล็กตรอนจะมีค่าประมาณ e = √4πα ≈ 0.30282212

อ้างอิงจาก

Peskin, M.; Schroeder, D. (1995). An Introduction to Quantum Field Theory. Westview Press. p. 125. ISBN 0-201-50397-2.

http://www.electron.rmutphysics.com/science-news/index.php?option=com_content&task=view&id=2525&Itemid=4

http://www.vcharkarn.com/vcafe/5851

https://th.wikibooks.org/wiki/%E0%B8%81%E0%B8%A5%E0%B8%A8%E0%B8%B2%E0%B8%AA%E0%B8%95%E0%B8%A3%E0%B9%8C%E0%B8%84%E0%B8%A7%E0%B8%AD%E0%B8%99%E0%B8%95%E0%B8%B1%E0%B8%A1:_%E0%B8%97%E0%B8%A4%E0%B8%A9%E0%B8%8E%E0%B8%B5%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B8%A3%E0%B8%9A%E0%B8%81%E0%B8%A7%E0%B8%99/%E0%B9%82%E0%B8%84%E0%B8%A3%E0%B8%87%E0%B8%AA%E0%B8%A3%E0%B9%89%E0%B8%B2%E0%B8%87%E0%B8%A5%E0%B8%B0%E0%B9%80%E0%B8%AD%E0%B8%B5%E0%B8%A2%E0%B8%94

http://topicstock.pantip.com/wahkor/topicstock/2009/07/X8073368/X8073368.html