Un equipo de físicos franceses anunció ayer un gran avance en la determinación de un "número mágico" al añadir tres decimales a la constante de estructura fina ( artículo ; documento técnico )
$$\alpha^{-1}\approx 137.035\,999\,206(11)$$
A los ojos del profano, 3 decimales más no parecen tan espectaculares. Por qué es para tanto si se trata de la constante de estructura fina?
La constante de estructura fina nos indica la fuerza de la interacción electromagnética .
Hay algunas afirmaciones engañosas en la noticia. La principal es cómo leer el resultado,
\begin{align} \alpha_\text{new}^{-1} & = 137.035\,999\,206(11) \\ &= 137.035\,999\,206\pm0.000\,000\,011 \end{align}
Los dígitos entre paréntesis indican la incertidumbre en los últimos dígitos; puede verse que el método tradicional $\pm$ es a la vez más difícil de escribir y de leer para una medida de tan alta precisión. El nuevo experimento de alta precisión es mejor que el media de todas las mediciones a partir de 2018 que fue
$$\alpha_\text{2018}^{-1} = 137.035\,999\,084(21)$$
Se puede ver que la nueva incertidumbre es menor que la anterior en un factor de aproximadamente dos. Pero aún más interesante es que los dos valores no están de acuerdo el nuevo resultado $\cdots206\pm11$ es diferente de la media anterior $\cdots086\pm 22$ en unas cinco barras de error. Un efecto de "cinco sigmas" es muy importante en física, porque es mucho más probable que se trate de una diferencia física real (o de un error real, ejem) que de una fluctuación estadística aleatoria. Este tipo de resultado sugiere con mucha fuerza que hay física que entendemos mal en la cadena de análisis. De ahí vienen los descubrimientos.
Este nivel de detalle cobra importancia cuando se intenta decidir si las explicaciones de otros enigmas de la física son mundanas o apasionantes. El resumen del documento técnico hace referencia a dos enigmas que se ven afectados por este cambio: el posibilidad de que se haya observado una nueva interacción en las desintegraciones del berilio y el tensión entre las predicciones y las mediciones del momento magnético del muón que es sensible a hipotéticas nuevas interacciones de una forma más sigilosa.
La constante de estructura fina $\alpha$ aparece por todas partes en física, y su presencia en ecuaciones que los físicos tienen que resolver hace que sea importante medir su valor real, para poder obtener predicciones más precisas a partir de esas ecuaciones.
Además, en el caso de $\alpha$ en realidad es el cociente de otras constantes fundamentales de la naturaleza cuyos valores se conocen con gran precisión. Si la calculado valor de alfa difería de su medido Si el valor de la radiación fuera mayor que el de la luz, indicaría que falta algo en nuestra comprensión de la física subyacente, algún efecto sutil que nadie había visto antes y que ahora debe explicarse. Esta es la materia de la que están hechos los premios Nobel, lo que hace que merezca la pena añadir dígitos significativos a una medición como esa.
Estoy añadiendo algunas reflexiones después de dos muy buenas respuestas ya están allí, así que no voy a repetir el material ya cubierto, excepto para señalar el elemento de información errónea en la noticia; ver respuesta por rob.
Lo que quiero hacer es contar un poco cómo es hacer este tipo de física. Nunca he hecho yo mismo una nueva medición de alta precisión de una constante fundamental, pero he trabajado con gente que sí lo ha hecho. El ejemplo clásico de este tipo de trabajo es la medida realizada por Lamb y Retherford en 1947 de un pequeño efecto en el hidrógeno que ahora se conoce como desplazamiento Lamb. Fue importante porque, aunque sólo contribuye mínimamente a la energía, demuestra que existe un efecto en el hidrógeno que no se predice con un modelo de hidrógeno basado en la ecuación de Dirac; esto estimuló el desarrollo de la electrodinámica cuántica y proporcionó a los teóricos una cifra concreta a la que atenerse para comprobar su trabajo.
Desde entonces, los físicos experimentales de cierto tipo han buscado afanosamente una precisión cada vez mayor como forma de sondear nuevos efectos físicos en las interacciones de las partículas fundamentales. Es una especie de compañero silencioso de los experimentos de colisión de partículas. Estos últimos son mucho más caros y aportan muchos más datos, pero sólo de vez en cuando el tipo de experimento silencioso, que trabaja a baja energía y con altísima precisión, da un pequeño empujón. Es muy emocionante cuando esto ocurre.
Aún no está claro si esto ha ocurrido con esta nueva medida. La diferencia de 5 sigmas significa que, o bien alguien ha cometido un error, o bien existe una nueva física. El error podría consistir, por ejemplo, en que la incertidumbre del valor anterior se subestimó en un factor 2 o 3, y los valores simplemente discrepan en unas pocas sigma. Es el tipo de situación tentadora que en cosmología se llamaría "tensión" entre mediciones diferentes de una cantidad aparentemente idéntica.
(El comentario fue borrado, así que lo convierto en respuesta).
Este Entrada del blog de 2018 en Respuestas explica algunas de las implicaciones físicas. En resumen: la precisión con la que $\alpha$ es un factor limitante en la precisión de los cálculos del modelo estándar de los momentos magnéticos del electrón y el muón. El nivel de precisión que tanto el experimento como la teoría han alcanzado en la determinación de $g_e$ es tal que los procesos de modelos no estándar en diagramas de Feynman de orden superior podrían afectar a la concordancia entre el experimento y la teoría.
Evidentemente, es difícil estimar la importancia de una medición de este tipo si aún no se ha establecido la base de la propia constante de estructura fina, ni se ha comprendido la razón de su valor numérico en un contexto empírico específico. He aquí por qué podría ser más importante de lo que se cree.
En efecto, ese valor puede calcularse o deducirse enteramente a partir de los primeros principios, en la mente por así decirlo, a partir del análisis de un modelo geométrico particular de la realidad imaginada como un espacio universal unitario concebido como un campo; y si te interesa, como deberían hacer los auténticos científicos, puede demostrarse fácilmente.
Brevemente, el valor de ese FSC se deriva de la modificación de manera bastante directa -- aunque discutible en el detalle -- de una simple relación geométrica central a ese modelo (que es una estructura recíproca de tipo enrejado cúbico) entre un componente de onda lineal específico y el equivalente de una onda fundamental implícita en la concepción.
Sin embargo, desde un punto de vista experimental práctico, esta relación también implica una relación en frecuencia entre ese componente de onda y un componente residual que surge en la elaboración de un ciclo de onda definido por la escala de esa onda fundamental que es precisamente 137:1; y es esta relación la que pertenece directamente a la implicación del FSC en la derivación teórica del factor "ge" del electrón tal como se aplica entonces a los escenarios físicos.
La razón es que la frecuencia de precesión del electrón en un campo magnético B dado será función de la relación en frecuencia de aparición entre esa componente de onda primaria y la componente residual que se elabora en un ciclo de onda, ya que esa última componente residual o resultante define las propiedades del espín intrínseco del electrón como un efecto de onda real en este modelo, un efecto real en la progresión y recurrencia de la onda.
La componente de onda primaria se produce exactamente 137 veces en un ciclo de onda, y este número requiere una modificación en función de la escala relativa de esa progresión del propio ciclo de onda, que se caracteriza por una propiedad real del momento angular, con respecto a una referencia dada. Es la escala relativa de esta progresión en componentes residuales incrementales para cada ciclo de onda sucesivo lo que determina todos los fenómenos básicos descritos en la teoría QED: las propiedades de la luz y la materia, los fotones y los electrones.
Para apreciar lo que aquí se entiende por ciclo de onda, si el componente primario de la onda representa un efecto, digamos un componente de rotación, que se acumula incrementalmente a lo largo de dicho ciclo en 137 operaciones sucesivas de "interferencia" entre 2 vectores fundamentales correspondientes a componentes de distribución de una fuerza universal singular ("cohesiva") interpretada en el marco de este modelo -- es decir, 137 operaciones de divergencia, 137 de convergencia entre estos vectores que surgen en ejes cúbicos dispares en el modelo --, entonces si el componente primario es análogo a 1 céntimo, entonces el ciclo de onda representa 1 dólar, 137 operaciones de divergencia, 137 de convergencia entre estos vectores que surgen en ejes cúbicos dispares en el modelo --, entonces si el componente primario es análogo a 1 céntimo, entonces el ciclo de onda representa $1.
Sin embargo, este ciclo de ondas tiene la particularidad de que no es precisamente recurrente; estas 137 operaciones producen una resultante residual (~1/8 de la escala del componente primario) con respecto a una referencia implícita que puede tomarse como fija para la escala de energía de la QED; de modo que el propio ciclo de ondas progresa según la escala relativa de esa resultante con respecto a sí misma. Este efecto es similar al de un ciclo astronómico como la precesión del punto equinoccial, que se aproxima a la recurrencia relativa al fondo celeste a lo largo de 25.771 años y, sin embargo, no es precisamente recurrente al punto original: son necesarios múltiples ciclos para aumentar la precisión de esa recurrencia. Lo mismo ocurre con la retrogresión de los nodos lunares, etc.
Resulta que, puesto que este residuo cuya progresión incremental en cada elaboración sucesiva del ciclo ondulatorio -- que representa por tanto una onda fundamental subsidiaria en el mismo sentido que el ciclo de precesión del punto equinoccial -- define además las propiedades de la recurrencia de dicho ciclo a un estado original, se puede argumentar que define tanto la longitud de onda de la luz visible (en algún valor dado del orden de 660 nm dependiendo de ciertas suposiciones sobre la periodicidad temporal* del ciclo) como las propiedades del momento angular S del electrón interpretado como un efecto ondulatorio real descrito por esta dinámica de progresión y recurrencia de ondas.
Sí, es un principio unitario de onda oscilatoria universal; ¿qué esperabas? La teoría cuántica de campos desde un ángulo visionario. El aspecto más controvertido de esta concepción es que debe imputarse una escala temporal significativa a lo que es principalmente un modelo geométrico de esa dinámica de onda oscilatoria (o interferencia de onda) sin la cual no es más que un modelo de relaciones armónicas dinámicas; y es la concepción de una propiedad oscilatoria o alternante efectivamente universal implícita en ese principio de onda lo que permite inferir una correspondencia entre esa dinámica de recurrencia de onda llevada a un orden superior y la escala de la frecuencia de la luz visible cuando tal periodicidad se atribuye hipotéticamente a esa dinámica.
Por cierto, un análisis más profundo del mismo modelo es capaz de explicar la base del cambio en el valor de la constante de acoplamiento en QED desde la equivalencia con el FSC hasta alrededor de 2/255 a energías más altas, según la inferencia de una de sus relaciones geométricas secundarias.
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