Warum hat die Feinstrukturkonstante ααα diesen Wert?

Niemand weiß es, und im Moment gibt es keine realistische Aussicht, die Feinstrukturkonstante in absehbarer Zeit aus Grundprinzipien zu berechnen.

Wir wissen aber, dass die Feinstrukturkonstante keine Konstante ist! Es hängt tatsächlich von der Energie der Wechselwirkung ab, die wir betrachten. Dieses Verhalten wird als "Running" bezeichnet. Die gut bekannten$\alpha \simeq 1/137$ist die Niedrigenergiegrenze der Kopplung. Bei zB einer Energie der Z-Masse finden wir$\alpha(Q=M_Z)\simeq 1/128$. Dies deutet darauf hin, dass der Niedrigenergiewert nichts Grundsätzliches ist, da er aus einem Hochenergiewert berechnet werden kann.

Tatsächlich wissen wir noch mehr. Die Feinstrukturkonstante ist die Stärke der elektromagnetischen Kraft, die durch masselose Photonen vermittelt wird. Es gibt eine andere Kraft, die schwache Kraft, die durch massive Teilchen vermittelt wird. Wir wissen, dass diese beiden Kräfte bei hohen Energien zu einer vereinten Kraft werden. Somit wissen wir noch einmal, dass die Feinstrukturkonstante nicht grundlegend ist, da sie aus dem Zusammenbruch einer einheitlichen Kraft resultiert.

Wir können also die Feinstrukturkonstante aus einer Hochenergietheorie berechnen, in der Elektromagnetismus und die schwache Kraft bei Hochenergie vereint sind (und vielleicht mit anderen Kräften auf der Skala der großen Vereinigung vereint sind).

Das bedeutet jedoch nicht, dass wir wissen, warum es den Wert hat$1/137$bei niedrigen Energien. In der Praxis,$\alpha \simeq 1/137$ist eine niederskalige Randbedingung in Theorien, in denen sich die Kräfte bei hoher Energie vereinigen. Wir kennen keine prinzipielle Möglichkeit, die Hochenergiewerte der freien Parameter unserer Modelle einzustellen, also stimmen wir sie einfach ab, bis sie ausreichend mit unseren Messungen übereinstimmen. Im Prinzip ist es möglich, dass die hochskalige Randbedingung durch eine neue Theorie, vielleicht eine Stringtheorie, bereitgestellt werden könnte.

Eine Theorie besagt, dass wir in einem Multiversum leben, in dem physikalische Konstanten wie z$\alpha$sind in verschiedenen Universen unterschiedlich. Diese Theorie ist spekulativ, basiert aber auf plausibler Physik wie kosmischer Inflation und der großen Anzahl verschiedener Vakuumzustände, von denen angenommen wird, dass sie in der Stringtheorie existieren.

Wir leben zufällig in einem Kinderuniversum mit einem kleinen, aber nicht zu kleinen Wert der Feinstrukturkonstante, weil ein solcher Wert mit der Existenz des Periodensystems, der organischen Chemie und des Lebens vereinbar ist, während es deutlich unterschiedliche Werte gibt sind nicht.

Ich weiß genau, warum es ungefähr 1/137 ist. Weil es nie alleine kommt, sondern mit einigen anderen dimensionslosen Kombinationen eines Problemparameters, so ist sein Wert nur ein Teil eines ganzen Ausdrucks.

Einige sagen, dass es die Stärke der EM-Wechselwirkung bestimmt. Lass uns sehen. Wir werden von QED ausgehen, was QM der Elektrodynamik ist. Und bei QM, mag man es mögen oder nicht, geht es zuerst um Wahrscheinlichkeiten und erst dann um Energien. Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, bei Ladungsstreuung ein weiches Photon abzustrahlen? Es ist Einheit (p=1). Lassen Sie mich das QED-Lehrbuch von Akhiezer-Berestetski zitieren:

Sie sehen, Alpha selbst kommt nie allein, mit Ausnahme des Problems des Wasserstoffspektrums, das zuerst von Sommerfeld und dann von Dirac betrachtet wurde. Alpha selbst ist klein, da die Wasserstoffelektronen eine viel geringere Geschwindigkeit als haben$c$($\alpha=v_0/c$). In schwereren wasserstoffähnlichen Ionen ($Z>1$) ist die Grundzustandselektronengeschwindigkeit größer als$v_0=e^2/\hbar$, also ist alpha nicht "allein" und die Antwort ist kontextabhängig.