宇宙常数错了吗?

伤我心太深

　　宇宙常数错了吗?

　　爱因斯坦在提出相对论的时候，一开始将宇宙常数代入他的方程。他认为有一种反引力能与引力平衡，促使宇宙有限而静态。后来爱因斯坦取消了这个常数，当哈勃得意地将膨胀宇宙的天文观测结果展示给爱因斯坦看时，爱因斯坦感觉很羞愧，认为自己一生所犯下的最大错误是从自己理论中去除了宇宙常数。

　　爱因斯坦发表相对论，包括宇宙常数的初衷，并不认为其是万物之理，只是对物理学的一个总结、一个推进、一个对宇宙的新的认识，所以其出于不断修改与完善才删除了宇宙常数。正如爱因斯坦开始相对论基础认为宇宙是有限而静态的一样，后来因为很多科学观测符合相对论的预言，相对论也加入了其他科学家及科学的解释与证据后，很自然地被神圣化了，因为它太符合天文观测与一些科学验证了。但是爱因斯坦本人却追求一个相对论在内的大统一理论，至少爱因斯坦本人认为相对论是不完美的。

　　2005年4月北京青年报的一篇文章指出，物理常数不“常”、爱因斯坦相对论面临挑战。该文提出爱因斯坦证明牛顿物理定律并不准确，但爱因斯坦自己也许并不正确。对一个重要物理常数的新研究表明，它可能是随时间变化的，也许我们可以期待一场对相对论进行修正的物理学革命。



　　顾名思义，“常数”应是恒定不变的，如果物理学常数随时间而变化，就意味着宇宙中的物理规律也在变化。宇宙诞生至今已有100多亿年，这期间是否发生过这样的事?

　　有关争议的焦点之一是精细结构常数，它对电磁相互作用极其重要。如果精细结构常数随时间发生变化，其他一些基本物理原则如光速也会变化，这将给相对论带来挑战，因为广义相对论不允许这种变化。


　　2001年，剑桥大学的天体物理学家迈克尔·墨菲领导的一个小组分析了几十亿光年外一些类星体的光谱，发现其中金属元素谱线有微小变化。由于精细结构常数决定着谱线的结构，研究者据此认为该常数自宇宙大爆炸以来增大了约0.001%。这一发现在学术界引起了骚动，但2004年另一组物理学家说：他们用原子钟对精细结构常数进行了很高精度的测量，并未发现它随时间变化的证据。墨菲小组通过世界上最大的光学望远镜，研究了143个类星体的光谱，这项研究显示，精细结构常数的确在增大。墨菲说，新研究的精度比2004年原子钟实验精度高10倍。


　　原子钟实验研究人员之一——德国物理技术研究所的埃克哈德·派克说：“这个结果很有力，经受住了许多系统检验，但争议并未解决。”派克本人希望墨菲小组的结果是对的，因为这将为全新的物理理论“打开窗口”。例如尚未得到证实的超弦理论，该理论提出所有物理常数都可能因为更高维度空间的变化而变化。欧洲航天局计划于2006年在环地球轨道上进行一次原子钟实验，精度比墨菲小组还要高100倍。墨菲说：“这可能最终解决问题。”


13个宇宙常数


　　你是否曾经有过这样的疑惑或者赞叹：为什么1米就是现在我们规定或约定的这么长?为什么圆周率刚好是3.1415926?……美国哲学家克里普克在《命名与必然性》一书中讨论了一些名称的来源，他认为事物的名称取决于名称的起源和历史，而不取决于被命名对象的偶然特性。丘吉尔之被命名为“丘吉尔”，不是因其本人的种种特性，而是因其父母的命名以及从此别人这样称呼他而建立的历史传递链条。


　　由于一些尚不明确的原因，宇宙的基本特性可以用数字或常数来表达，美国加利福尼亚州立大学数学教授詹姆士·斯坦因介绍了13个宇宙常数，包括万有引力常数、光速、绝对零度、哈勃常数、普朗克常数等。他参考了天文学家马丁·里斯关于同一主题的著作《只需六个数》，里斯说，有6个数的值必须恰到好处，如果其中任何一个出现“失调”，那就不可能有星体和生命。斯坦因并从数学的视角添加了一些数字，他写的跟里斯书中所写只有两个是重合的：核聚变时质量转化成能量的效率(0.007)和物质的密度。


　　如果宇宙不一致的，科学就没有意义。如果基本的常数不停地随着时间或位置变化而变化，就什么也解释或预测不了。如果光速、重力或原子的质量都不是固定的，测量和实验就没有意义。如果有智慧的生物生存在这样的宇宙中，他们永远都只能用魔法来解释现实。感谢上苍，我们生活在一个理智的宇宙中。确实有些科学家认为几十亿年前光速跟现在略微有些不同，在地球上体验到的重力跟银河系中的引力不同。但我们对宇宙的理解依赖于假定常数一直是常数。


　　宇宙数字是那些跟宇宙的物理法则有关的常数。并非所有跟自然界有关的数字都是宇宙数字。数字10是现代十进制的基础，它是人类的发明，之所以选择了它是因为它是我们的双手手指的数量。把一周定为7天也是任意的，虽然它确实可以追溯到《圣经》中说到的时代。相比之下，一年有365天确实表现了一种宇宙中的事实：地球绕太阳转动一周大致需要的时间。但“365”这个数字跟宇宙中的物理定律无关，只是我们居住的星球及其与太阳的关系的偶然状态。



　　《宇宙常数》


　　书中讨论的一些现象是受过教育的公众有所了解的，如气体的压力、体积与温度之间的关系。还有一些则会让人感到惊讶。如“产生热很容易。人类从史前时期起就能够捕捉或者生火了。制冷是一个更加困难的任务。宇宙作为一个整体在制冷方面表现优异，因为宇宙的平均温度只比绝对零度高若干度。它的做法跟我们用电冰箱时一样：通过气体的扩张。


　　书中追溯了这些常数的发现过程。“大部分科学家相对来说都很谦虚。他们知道大自然是他们所做分析的最终裁判，有时大自然要用很长时间才能给出它的裁决。但有一天，马克斯·普朗克对宇宙做了一个假定，他在饭后散步时告诉了他儿子：‘我今天有了一个革命性的想法，它跟牛顿的思想一样伟大。’他说得很大胆，但时间证明普朗克是对的。他发现宇宙在包裹一点能量时包裹了特定的几层，这些小包的能量现在叫量子，缩写为h的普朗克常数说的是这些能量包的大小。”


　　后面几章的许多例子来自天体物理学。例如，超新星中的白矮星的质量超过一定的限度(以发现它的印度天体物理学家钱德拉塞卡的名字命名的“钱德拉塞卡极限”)就会爆炸。这种爆炸是宇宙生命周期的内在组成部分。作者写道：“每架飞机有其起飞速度：它要达到安全飞行所必需的速度。钱德拉塞卡极限不只是一个为质量很大的星星敲响丧钟的数字，它还是行星和生命形成的起飞速度。”



　　该书基本上讲述的是人类对测量的狂热史，如erg的定义是，一只蚂蚁蹬一下一条腿所需的能量。作者还解释了为何准确地测量这类神秘的现象是有价值的。斯坦因指出，更准确的重力数字能使我们更准确地预测小行星会不会撞上地球。第一个获得诺贝尔奖的美国人、物理学家阿尔伯特·迈克尔逊(1852～1931)痴迷于测量光速。1983年，光速被确定为每秒2.99792458亿米，从那时起1米被定义为光1秒内运动的距离的1/2.99792458亿。