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.