Чому число 137 переслідує фізиків і що воно означає для Всесвіту

У науці рідко трапляються числа, які повторюються знову і знову в абсолютно різних теоріях. Одне з таких чисел — 137. Воно виникає в описі атомів, світла, електромагнітних взаємодій і навіть у роздумах про межі існування хімічних елементів. Найдивніше — фізика досі не знає, чому саме це число є таким, яким є.

137 і сила, що тримає атоми разом

Найвідоміше втілення числа 137 — стала тонкої структури, безрозмірна фізична константа, яку позначають α. Вона визначає силу електромагнітної взаємодії — тобто те, наскільки сильно електрони притягуються до атомних ядер і як заряджені частинки взаємодіють зі світлом.

Чисельно α майже дорівнює 1/​137. Це не просто красива випадковість. Саме ця величина задає:

• розміри атомів;
• енергетичні рівні електронів;
• спектральні лінії, за якими астрономи визначають склад зірок;
• стабільність хімічних зв’язків.

Зміни α навіть на кілька відсотків зробили б складну хімію неможливою. Атоми або схлопувалися б, або розпадалися, і Всесвіт виглядав би зовсім інакше.

Квантова електродинаміка і точність до дванадцятого знака

У квантовій електродинаміці — теорії, яка описує взаємодію світла та заряджених частинок, — число 137 з’являється знову. У всіх розрахунках, де електрон взаємодіє з фотоном, виникають множники, пов’язані з α.

Саме завдяки тому, що ця константа мала, фізики можуть виконувати надзвичайно точні обчислення. Наприклад, магнітний момент електрона розрахований і виміряний з точністю, що доходить до дванадцятого знака після коми. Жодна інша фізична теорія не дає такої феноменальної згоди між формулами й експериментом.

Число 137 і межі таблиці Менделєєва

Ще один тривожний прояв 137 виникає в релятивістській квантовій механіці. Якщо заряд атомного ядра стає занадто великим, електрон на внутрішній орбіті теоретично мав би рухатися зі швидкістю світла. Критичне значення такого заряду — близьке до 137.

Саме з цього походять популярні твердження про «катастрофу» на 137-​му елементі таблиці Менделєєва. У реальності все складніше: такі атоми потребують опису з урахуванням квантових полів і вакуумних ефектів. Але сам факт існування цієї межі знову виводить фізиків на те саме число.

Чому це лякає фізиків

Найбільша загадка не в тому, що число 137 важливе, а в тому, що:

• його неможливо вивести з фундаментальних принципів;
• воно з’являється незалежно в різних галузях фізики;
• ми можемо виміряти його надзвичайно точно, але не пояснити, чому воно саме таке.

Теорії струн і спроби створити теорію всього припускають, що колись α буде виведена з глибших симетрій простору-​часу. Поки що ж число 137 залишається емпіричним фактом — заданою властивістю нашого Всесвіту.

Число 137 — це не містика і не нумерологія, а реальна фізична межа, без якої не існували б атоми, хімія і складні структури матерії. Його постійна поява натякає, що під відомими законами фізики прихований глибший рівень реальності. Можливо, саме через такі числа наука колись і наблизиться до розуміння того, чому Всесвіт влаштований саме так, а не інакше.