Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах




НазваниеВариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах
страница1/44
Дата конвертации29.12.2012
Размер4.17 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   44
feb07information for February of 2007=информация за февраль 2007 года

----------
----------
13:00; 27.2.2007:
-----
[1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum] или [25].
-----
Volume 82, Number 5, Physical Review Letters, 1 February 1999. pages: 888-891.
Title: Spase-Time Variation of Physical Constants and Relativistic Corrections in Atoms.
Authors: Dzuba, Flambaum, Webb.
School of Physics, University of New South Wales, Sydney, New South Wales 2052, Australia
Received 12 February 1998.
-----
1 статья представлена здесь 1. [1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum] или [25].
---
Здесь вводится в компьютер текст на русском языке с рукописного варианта.
Есть возможность сверить правильность перевода с английского языка на русский язык путем сравнения с оригиналом на английском языке.
----------
1. [1Feb99DFW-Webb-Dzuba-Flambaum] или [25].
---
Перевод с английского языка на русский язык:

Название: Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах.
Авторы: Владимир Дзюба, Виктор Фламбаум, Вэбб.
Получено 12 февраля 1998 года.
Опубликовано 1 февраля 1999 года.
---
14 источников в библиографии и ссылках на источники.
1 таблица (она же формула).
3 пронумерованных формулы.
--
Аннотация:
Системы поглощения высокого красного смещения, обнаруженные в оптических спектрах квазаров, дают мощное средство для ограничения возможных вариаций физических "констант" вселенной во времени и пространстве. Демонстрируется, что высокая чувствительность к вариации постоянной тонкой структуры альфа может быть получена из сравнения спектров тяжелых и легких атомов. Мы выполнили расчеты для Mg I, Mg II, Cr II, Fe II, для которых доступны точные квазарные и лабораторные спектры. Так же обсуждаются некоторые возможности для наблюдения улучшенных эффектов в вариациях фундаментальных констант.
---
Возможная вариация фундаментальных физических констант в расширяющейся вселенной была впервые предложена Дираком [1.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum]. Этот предмет представляет особый интерес в нестоящее время из-за новых возможностей, открытых объединяющими теориями такими, как теория струе и М-теория, что привело к ожиданию возможного существования компактных размерностей пространства. Эти "константы", видимые в 3-х-мерном под-пространстве этой теории, будут варьироваться с той же скоростью, что и любое изменение, проходящее в масштабе длин этих дополнительных компактных размерностей (смотрите, например [2.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum]). Системы поглощения квазаров представляют собой идеальные лаборатории для поиска любой вариации во времени и пространстве фундаментальных констант путем сравнения атомных спектров от удаленных объектов с лабораторными спектрами (смотрите, например [3.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum] и ссылки там).
Этот энергетический масштаб атомных спектров в нерелятивистском пределе дается атомной единицей m*e^4/h^2. В этом пределе все атомные спектры пропорциональны этому числовому значению и не может быть обнаружено никаких изменений фундаментальных констант.
Действительно, любое изменение в атомной единице будет поглощено в определение параметра красного смещения 1+z=omega/omega'' (omega'' - частота красного смещения (частота , включающая частоту красного смещения), а omega - частота в лаборатории). Однако, любое изменение фундаментальных констант может быть найдено путем измерения относительного размера релятивистских поправок, которые пропорциональны альфа^2, где альфа = e^2/(h*c) - постоянная тонкой структуры [4.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum].
Было бы естественным ограничить любое изменение из измерений спин-орбитального ращепления в пределах мультиплета тонкой структуры. Однако, это не самый эффективный метод, и он даже может дать неправильные результаты, поскольку другие релятивистские эффекты игнорируются.
Цель этой части работы - продемонстрировать то, что изменение в альфа дает эффект на порядок больше в разнице между частотами перехода в тяжелых и легких атомах (или молекулах) по сравнению с разницей для переходов в пределах одного (единственного) мультиплета.
Мы выполнили расчет зависимости частот перехода от альфа для Fe II, Cr II, Mg I [смотрите уравнение (3.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum)] и Mg II [смотрите уравнение (2.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum)], где существуют точные данные как для лабораторных, так и для квазаровских спектров.
Другие возможности включают сравнения разных оптических переходов, например, s-p и p-d в том же атоме или молекуле, или сравнения микроволновых переходов в молекулах, которые содержат вращательные и сверх-тонкие интервалы.
Мы так же предлагаем 2 других потенциальных метода (видимо более подходящих для лабораторных экспериментов, чем для наблюдений высокого красного смещения) для обнаружения каких-либо изменений альфа.
Первый - это использовать переходы между "случайно" выродившимися уровнями одного и того же атома или молекулы. Это вырождение было бы высоко чувствительным к очень малым изменениям альфа. Например, в атоме Dy 2 вырожденных уровня противоположной четности [5.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum]. Частота Е1- перехода между ними меньше, чем сверх-тонкое расщепление каждого уровня. В результате, относительный эффект изменения альфа улучшается на 5 порядков (относительно размера релятивистского эффекта к частоте перехода). Похожие эксперименты со случайно вырожденными молекулярними уровнями, принадлежащими к различным электронным термам, - так же чевствительны к очень малым изменениям отношения масс нуклона и электрона. Это связано с тем, что разность энергий электрона может компенсироваться разницей в вибрационной и вращательной энергиях ядер. Как известно, масса ядра является функцией констант сильного взаимодействия и конденсатов вакуума. Проблема здесь - найти "вырожденные" уровни узкой ширины.

-----
9:00; 27.2.2007:

Второй потенциальный метод - проведение точных измерений разницы между частотами двух переходов узкой ширины в разных атомах или молекулах. Если эта разница очень мала, то она может быть измерена с очень высокой абсолютной точностью, поскольку ограничения, ассоциируемые с точностью калибровки абсолютной частоты не имели бы отношкеия к делу (смотрите, например, измерения для Hg II и H [6, 7.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum]). Для линии Hg II 35514 1/см сдвиг частоы, соответствующий DELTA(alpha)/alpha = 10^{-15} есть примерно 3 Гц, что больше, чем естественная ширина линии 1.8 Гц.
Для объяснения преимуществ наших предложений, начнем с простых аналитических оценок релятивистских эффектов в частотах переходов. Вклад релятивистской поправки к энергии может быть получен как величина ожидания релятивистского возмущения V, которое велико только в окрестности ядра. Волновая функция внешнего электрона возле ядра представляется, например, в [8.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum]. Простой расчет релятивистской поправки к энергии внешнего электрона дает следующий результат:
DELTA_n =-m*e^4*Z^2_a*(Z*alpha)^2*[1/(j+1/2)-C(j,l)]/(2*h^2*nu^3)
= E_n*(Z*alpha)^2*[1/(j+1/2)-C(j,l)]/nu, (1.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum)
где Z - заряд ядра, l и j - орбитальный и полный угловые моменты электрона, Z_a - заряд, "видимый" внешним электроном вне атома, то есть, Z_a = 1 для нейтральных атомов, Z_a = 2 для одно-зарядных ионов и так далее, а nu - эффективное главное квантовое число, определяемое, как E_n = - m*e^4*Z^2_a/(2*h^2*nu^2), где E_n - энергия электрона. Для водородо-подобных ионов nu=n, Z_a=Z, где n - главное квантовое число. Для описания вклада много-частичных эффектов в релятивистскую поправку DELTA_n мы ввели параметр C(j,l). Действительно, одночастичная релятивистская поправка увеличивает притяжение электрона к ядру и делает радиус электронного облака меньше. В результате, атомный потенциал, который является ядерным потенциалом, экранированным электронами остова, становится слабее. Это уменьшает энергию связи внешнего электрона. Следовательно, многочастичный эффект имеет противоположный знак прямому одночастичному релятивистскому эффекту. Точные многочастичные расчеты, описанные ниже, показывают, что C(j, l) для орбиталей s и p, примерно 0.6. Мы видим, что релятивистская поправка большая и отрицательная для самых низких состояний s1/2 и p1/2, когда nu мало и j=1/2. Ращепление тонкой структуры дается при помощи DELTA_{ls} = E(p3/2) - E(p1/2). Релятивистская поправка может быть большой и положительной для самых низких d-состояний. Уравнение (1.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum) может использоваться для полу-эмпирических оценок релятивистских поправок.
В спектрах систем поглощения квазаров наблюдались переходы из основного состояния. Понимание того, как наблюдаемые частоты этих переходов зависят от релятивистских эффектов позволяет нам искать какие-либо относительные изменения альфа на протяжении длительного промежутка времени между ранними эпохами, описываемыми данными квазаров и сеогодняшним днем. Тонкое ращепление в возбужденных состояниях меньше, чем релятивистская поправка в основном состоянии, поскольку плотность возбужденного электрона возле ядра меньше. Таким образом, тонкое ращепление Е1- перехода из основного состояния (например s-p), существенно меньше, чем абсолютный сдвиг частоты перехода s-p. При C(j, l) = 0.6 релятивистский сдвиг средней энергии р- электрона E(p)=2/3E(p3/2)+1/3E(p1/2) близок к нулю. Поэтому, средний релятивистский сдвиг частоты перехода s-p в основном дается сдвигом энергии состояния s: DELTA(p - s) ~= -DELTA(s).
Относительный резмер релятивистских поправок пропорционален Z^2, так, что они меньше в легких атомах. Поэтому, мы можем ограничить какое-либо изменение альфа путем сравнения частот перехода в тяжелых и легких атомах (или двух тяжелых атомах таких, как Fe II и Cr II, где релятивистские сдвиги частоты имеют противоположные знаки). Мы подчеркиваем, что наиболее точная и действенная (эффективная) процедура должна включать все релятивистские поправки и анализ всех доступных линий (скорее, чем тонкое ращепление только в пределах одного мультиплета).
Для получения точных величин сдвигов релятивистской частоты, мы выполнили вычисления атомных спектров, используя многочастичную теорию возмущений. Mg II - простая система с одним электроном поверх заполненных оболочек. В этом случае мы использовали полный набор релятивистских хартри-фоковских энергий и волновых функций как нулевое приближение, а затем вычисляли все корреляционные поправки второго порядка в остаточном электрон-электронном взаимодействии (этот подход описан в [9.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum]).
Расчет методом из первых принципов воспроизводит экспериментальные уровни энергии внешнего электрона в Mg II с точностью 0.2% (одноэлектронные уровни энергии в многочастичной задаче определяются как энергии ионизации со знаком минус). Для нахождения величины релятивистских поправок мы выполняли расчеты для 3-х значений alpha: alpha=alpha_l, alpha=sqrt(7/8)*alpha_l, alpha=sqrt(3/4)*alpha_l, где alpha_l - лабораторное значение alpha. Сосчитанные релятивистские поправки к уровням энергии внешнего электрона такие DELTA(3s)=-189.4, DELTA(3p1/2)=-72.1, DELTA(3p3/2)=24.4, DELTA_{ls}=96.5 1/см. Обратите внимание на то, что многочастичные поправки изменяют знак DELTA(3p3/2). Удобное представление окончательных результатов дается в следующей форме:
3s1/2 - 3p1/2:
omega_1=35669.298(2)+119.6[(alpha/alpha_l)^2-1] 1/см,
3s1/2 - 3p3/2:
omega_2=35760.848(2)+211.2[(alpha/alpha_l)^2-1] 1/см. (2.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum)
Первый член в каждой формуле - это лабораторное значение частоты (осреднение по изотопам Mg; подробная информация, включая изотопические сдвиги, может быть найдена в [10, 11.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum]), а второй член дает зависимость от альфа. Мы немного изменили величины рассчитывемых коэффициентов так, чтобы воспроизвести точно экспериментальное значение тонкого ращепления DELTA_{ls}=91.6 1/см (при альфа=0 тонкое ращепление должно исчезнуть).
Сейчас рассмотрим атомы с несколькими валентными электронами, такие, как Mg I, Fe II. Здесь мы так же имеем переходы s-p из основных состояний, и полу-эмпирическая формула (1.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum) может быть использована для оценки релятивистского сдвига энергии. Однако, для точного расчета релятивистского сдвига для каждого перехода, мы проводим релятивистские многочастичные расчеты для уровней энергии. Мы использовали релятивистский метод Хартри-Фока для конструирования базисного набора одноэлектронных орбиталей и метод наложения конфигураций для получения многоэлектронной волновой функции валентных электронов. Корреляции между остовом и валентыми электронами так же включались с помощью многочастичной теории возмущений [12.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum]. Подробности этих вычислений будут представлены в более длинной части работы. Мы получили следующие результаты для часто сильных Е1-переходов из основного состояния Mg I (3s^2 ^1 S_0 - 3s3p ^1 P_1), Fe II (3d^6 4s ^6 D_{9/2} членов мультиплетов 3d^4 4p ^6 D, ^6 F, ^6 P), Cr II (3d^5 ^6 S_{5/2} мультиплетов 3d^4 4p ^6 F, ^6 P) как функции альфа (в 1/см)
Mg I ^1 S_0: omega=35051.277(1)+106x-10y,
Fe II ^6 D_{9/2} omega=38458.9871(30)+1394x+38y,
^6 D_{7/2} omega=38660.0494(30)+1632x+0y,
^6 F_{11/2} omega=41968.0642(30)+1622x+3y,
^6 F_{9/2} omega=42114.8329(30)+1772x+0y,
^6 F_{7/2} omega=42237.0500(30)+1894x+0y,
^6 P_{7/2} omega=42658.2404(30)+1398x-13y,
Cr II ^6 F_{3/2} omega=46905.17-1624x-25y,
^6 F_{5/2} omega=47040.35-1493x-21y,
^6 F_{7/2} omega=47227.24-1309x-18y,
^6 P_{3/2} omega=48398.941-1267x-9y,
^6 P_{5/2} omega=48491.105-1168x-16y,
^6 P_{7/2} omega=48632.125-1030x-13y, (3.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum)
где x=(alpha/alpha_l)^2 -1, y=(alpha/alpha_l)^4 -1. Значения лабораторных частот (alpha=alpha_l) были взяты из [11, 13.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum]. Результаты для других атомов, удобных для астрофизических измерений (Mn II, Fe I, Ni I, Zn II, Ge II, C II, C IV, N V, O I, Al III, Si IV, Ca I, Ca II) будут представлены в другом месте (elsewhere).
Можно использовать уравнения (2.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum) и (3.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum) для подгонки линий Fe II, Cr II, Mg I, Mg II в системах поглощения квазаров для ограничения любых вариаций альфа.
Мы видим, что разница между этими частотами для легких и тяжелых атомов имеет релятивистский эффект, который на порядок больше, чем разница между частотами в пределах одного мультиплета (отметьте, что правило отбора |J_f - J_i|=<1 позволяет переходы в немногие ближние компоненты только (для) каждого мультиплета). Для видов, представленных выше, максимальный эффект получается в результате сравнения линий Fe IIи Cr II, где релятивистские эффекты имеют противоположные знаки (поскольку есть переходы s-p в Fe II и переходы d-p в Cr II). Наши результаты для Mg II и Fe II уже использованы для поиска вариации альфа в ссылке [14.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum].
Уравнение (1.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum) показывает, что следует ожидать наибольшего релятивистского сдвига для переходов s-d (или d-s) в тяжелых атомах. Однако, эти переходы не могут наблюдаться в системах поглощения квазаров, но могут быть подходящими для использования в лабораторных экспериментах. Естественная ширина линии для этих переходов Е2 очень мала. Более того, уже существуют очень точные измерения частоты многих таких переходов, поскольку они используются как стандарты атомной оптической частоты. Среди них, узкий переход Hg-II 5d^{10} 6s ^2S_{1/2} - 5d^2 6s^2 ^2D_{5/2} имеет наибольший сдвиг релятивистской частоты: омега =35514-29708х-976у 1/см. Поскольку это переход d-s, у него очень большой релятивистский сдвиг противоположного знака по отношению к переходам s-p.
Еще одна интересная возможность состоит в использовании переходов между случайно вырожденными уровнями в одном и том же атоме.
Такие метастабильные уровни есть, например, в атоме Dy: два уровня противоположной четности J=10 4f^{10} 5d6s и4f^9 4d^2 6s, лежащие на 19797.96 1/см выше основного состояния. (Эта пара уровней использовалась для изучения нарушения четности в ссылке [5.1Feb99-98DFW-Webb-Dzuba-Flambaum]). Есть другие примеры случайно вырожденных уровней в редко-земельных и actinide- атомах и много близких уровней в других тяжелых атомах и ионах (при отсутствии вырождения нужно искать переходы s-d или s-p, где релятивистские эффекты больше). Там, где имеет место "случайное" вырождение, вклады релятивистских поправок к частоте Е1- перехода в тяжелом атоме (~1000 1/см) компенсируются разницей в энергиях кулоновского взаимодействия (этих) двух конфигураций. Однако, если альфа варьируется во времени, то эта компенсация со времением исчезнет. Таким образом, мы имеем поправку ~1000 1/см[(alpha/alpha)^2 -1] к очень малой (<0.01 1/см) частоте перехода. Можно измерить, например, временную зависимость отношения частот для переходов между сверх-тонкими компонентами этих двух состояний. Для случайно вырожденных уровней, принадлежащих к разным термам (членам) электрона в молекуле, можно иметь улучшенные эффекты в изменении как альфа, так и массы нуклона. В последнем случае множитель (фактор) улучшения - отношение энергии вибрации к малой частоте (этого) перехода.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   44

Похожие:

Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах iconМатериалы
Я язык в социокультурном пространстве и времени: материалы Всероссийской конф с международным участием (г. Астрахань, 13 – 14 октября...
Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах icon06 November information = информация за ноябрь 2006 года
Термин "Бозе- эйнштейна конденсация" порождён аналогией с конденсацией молекул пара в жидкость при его охлаждении. Однако никакой...
Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах icon06August Information=информация за август 2006 года
Разность между точным гамильтонианом и гамильтонианом релятивистского метода Хартри- фока это оператор возмущения, ответственный...
Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах iconМинистерство образования и науки российской федерации федеральное агентство по образованию
П781 Проблема времени в культуре, философии и науке: сб науч тр. / под ред. В. С. Чуракова. (Библиотека времени. Вып. 3). – Шахты:...
Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах iconДуховно-нравственное воспитание подрастающего поколения в поликультурном образовательном пространстве России

Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах iconУм заключается не только в знании, но и в умении прилагать знание на деле. Аристотель Цели
Оборудование: комплекты карточек с записью физических величин, “ромашка” с вопросами, цветные мелки, листы с биографией ученых
Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах iconАвторизованная программа курса пропедевтики физики «моделирование физических процессов»
...
Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах iconStudia Rossica XVI
Ирина Гитович, Литературная репутация Чехова в пространстве российского XX века: реальность и аберрации (к постановке вопроса), s....
Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах iconСогласовано
«Новая история. 1500—1800» составляет процесс развития общества в период раннего Нового времени: кризис традиционного общества, появление...
Вариация физических констант во времени и в пространстве и релятивистские поправки в атомах icon4 Дело Натальи Захаровой и проблема ювенальной юстиции в России
Стоит отметить, что именно на средства Совета Европы Фонд поддержки детей, находящихся в трудной жизненной ситуации начал в России...
Разместите кнопку на своём сайте:
biogr.znate.ru


База данных защищена авторским правом ©biogr.znate.ru 2013
обратиться к администрации
biogr.znate.ru
Главная страница