自然界的关键常数之一在量子材料中要大得多

物理学家在9月10日的《物理评论快报》中计算得出，在一种称为量子自旋冰的材料中，精细结构常数约为其正常值的10倍。新的计算表明，量子自旋冰可以让我们瞥见另一个宇宙中的物理学，那里的常数要大得多。

精细结构常数影响着物理学和化学，它决定了带电粒子之间相互作用的强度。它的值约为1/137，这让物理学家感到震惊，因为他们无法解释为什么它具有该值，尽管它对于作为生命基础的复杂化学是必需的(SN:11/2/16)。

如果整个宇宙的精细结构常数与量子自旋冰中的一样大，“元素周期表将只有10个元素，”波士顿大学的理论物理学家ChristopherLaumann说。“而且可能很难造就人;化学不会足够丰富。”

量子自旋冰是一类粒子不能一致的物质。这些材料由具有自旋的粒子组成，自旋是角动量的量子版本，这使它们具有磁性。在正常材料中，粒子会在低于特定温度时达成一致，磁极在相同方向或交替方向排列。但在量子自旋冰中，粒子的排列方式使得磁极，或等效的自旋，即使在绝对零的温度下也不会一致(SN:2/13/11)。

僵局的出现是由于材料的几何形状：粒子位于在角处相连的金字塔阵列的角上。多组邻居之间的冲突意味着这些粒子最接近和谐的是自我排列，使两个自旋从每个金字塔朝外，两个朝内。

这种不稳定的休战会引起扰动，其行为类似于材料中的粒子或准粒子(SN：10/3/14)。翻转粒子的自旋，你可以得到所谓的旋子，准粒子可以穿过材料并以类似于材料外部世界中发现的电子和其他带电粒子的方式与其他旋子相互作用。该材料重新创建了量子电动力学理论，这是粒子物理学的标准模型，它阐明了带电粒子如何做它们的事情。但细节，包括精细结构常数，不一定与更广泛宇宙中的那些相匹配。

因此，Laumann及其同事首次着手计算量子自旋冰中的精细结构常数。该团队将这个数字定在1/10左右，而不是1/137。更重要的是，研究人员发现他们可以通过调整理论材料的特性来改变精细结构常数的值。这可以帮助科学家研究改变精细结构常数的影响——这种测试在我们自己的宇宙中是遥不可及的，那里的精细结构常数是固定的。

不幸的是，科学家们还没有找到一种完全符合量子自旋冰条件的材料。但一个被大量研究的前景是一组称为烧绿石的矿物，它们具有磁性离子或带电原子，以适当的金字塔配置排列。科学家们还可以使用量子计算机或其他设计用于模拟量子自旋冰的量子设备来研究这些材料(SN:6/29/17)。

如果科学家成功创造出量子自旋冰，这些材料可以揭示量子电动力学和标准模型如何在具有更大精细结构常数的宇宙中发挥作用。“这就是希望，”牛津大学的凝聚态理论家ShivajiSondhi说，他没有参与这项研究。“能够制作一个假的标准模型……并询问会发生什么，这很有趣。”

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