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一个关乎宇宙和生命的常数
物理学中有一个著名的常数，来自自然界中三个最基本的物理量——光速c、电子电荷e和普朗克常数h——的组合，如果计算hc/2πe2，你就会发现三个常量的单位恰好抵消，只剩下一个纯数字：137.03599913。换句话说，如果瓦肯星（《星球大战》系列中一个存在智慧生命的外星）上的科学家使用瓦肯星的单位计算这个量，他们仍会得到137.03599913。因此，这个奇妙的数字就被看作是自然界的普适常数。
这个数是如此重要，以至于有它自己的名字和符号。出于历史原因，人们使用了它的倒数：2πe2/hc= 1/137.03599913=0.00729735，称其为“精细结构常数”，并用希腊字母α来表示。
你知道这个数有多重要吗？可以这么说，它改变了，整个宇宙也就改变了。如果让它变大，质子之间的互相排斥就会变得强烈，它们呆在同一个原子核里就变得困难起来。这样，元素周期表中稳定的元素就要减少。当α大到超过0.1时，恒星内部的核聚变就“停工”了，不能再制造碳，而碳恰恰是生命赖以存在的元素。让α变小，分子之间的化学键只要温度稍低一点就断裂，许多对于生命活动至关重要的化学反应都得改变。到那时，所有的生物都将面临毁灭。
此外，α也与宇宙的一个深奥谜团有关。20世纪30年代，英国物理学家狄拉克注意到，由电子电荷e、电子质量m、质子质量M和万有引力常数G组成的无单位常数e2/GmM的数值是1040，而以原子尺度为单位的宇宙半径也是1040。此外，还有其他一些无单位的大数。它们之间也有着简单的关系。如宇宙中的粒子数约1080，宇宙膨胀到极大时的半径与基本粒子的大小之比值约1040，基本粒子大小与普朗克长度之比值约1020，宇宙中的光子数与重子数之比约1010……等等。狄拉克认为这一事实不是偶然的巧合，而是反映了宇宙的内在联系，并称之为“大数假设”。
所以，这些大数和像α那样的常数到底是从哪里来的，这是物理学家很关心的问题。
自然界的常数未必恒久不变
物理学家们还没来得及搞清楚“上帝之手”是如何写下了α=1/137.03599913这个数字的，现在它的奥秘又进一步加深了。有迹象表明，这个数可能不像我们原先设想的是一个常数，它会随着时间和空间而发生微妙的变化。当然，这一现象目前还存在争议。如果得到证实，那将对物理学产生深远的影响。
其实，自然界中的常数——包括光速、基本粒子质量等这些有单位的常数——可能并不是恒常不变的。这一想法由来已久，开创者还是狄拉克。1937年，当爱丁顿还在玩各种数学游戏，要从理论上推导出各种常数数值的时候，狄拉克就嘲笑他：“您这样瞎折腾干嘛？它们虽然现在看起来似乎是常数，但我们怎么能确定它们在宇宙的时间和空间尺度上没有变化呢？”
狄拉克的观点后来又得到弦理论的支持。超弦理论提出，现实的空间可能不只有3个维度，还有其余9或10个维度。只是其他维度非常微小，蜷曲起来不让我们看到而已，我们能看到的，只是大的那三个维度。为了理解这一点，你可以想象一个毛线球，你从很远的地方看，很可能只看到一个点，长宽高三个维度都隐而不见了。当你移近看，这些维度才“展开”来，让你知道原来它是三维物体。要是再移近，你会发现事情变得更复杂了：毛线球不像乒乓球是一个简单的球，它是由一根三维的长毛线卷成的，而这根毛线自身又是毛茸茸的，绝不像一条光滑的尼龙绳。这些细节，在你从远处看时，似乎都“蜷曲”、隐藏起来了。弦理论中的维度“蜷曲”也就是这个意思。
如果现实空间有着更高的维度，我们这个三维世界不过是它的投影，那么自然常数“恒常不变”这个事实就只能适用于高维空间，而不适用于低维空间——因为低维空间并不代表真实的现实。
这个道理也是显然的。不妨拿光速来说。我们说光在三维空间中传播速度是不变的。但是，从生活在更低维度世界的生物看来，它们可不认同这一点。举个例子。在二维平面有一个正三角形ABC。顶点A在左边，C在右边，B在中间。从A同时向C、B点各射一束光。它们将同时到达C、B点。现在，把正三角形ABC投影到AC这条线上，成了AB*C，假如AC线上的一维世界里生活着一个生物，在它看来，光同时到达B*点和C点，但显然AC比AB*长，于是它就得出结论：光速不是不变的，距离越长，光跑得越快。
但如果物理学常数会发生变化，这又意味着什么呢？意味着物理学规律也要变化了。“规律”的原意是指不会随着时间和地点而改变的东西。如果规律也会变化，那还算什么规律！那整个宇宙就没有任何规律可言了——科学家以探索自然规律为使命，他们的饭碗就要砸了。这可是很严重的事情。尤其，我们前面已经提到，对于当前的宇宙，α值的变化可谓牵一发而动全身。
不过幸好，可以让我们暂时松口气的是，长时间的跟踪测量表明，至少在地球上，α的值一直保持恒定（要知道，我们对它的测量，精度已提高到百亿分之几）。
不过，对物理学家来说，这个问题依然悬而未决。因为狄拉克的猜测是，在宇宙的时间和空间尺度上，自然常数可能会发生变化。但正可谓“夏虫不可语于冰，井蛙不可语于海”，人类的历史比起宇宙的年龄，比白驹过隙还短暂；此外，我们也像井蛙一样，没到过宇宙中其他遥远的地方进行测量。所以，在地球上测量是恒常不变的东西，丝毫不能说明在宇宙的年龄和范围内依然是恒常不变的。
终于发现常数在变化啦！
很多物理学家在研究自然常数变不变的问题。澳大利亚物理学家约翰·韦伯就是其中之一。从1996年起，他就开始从事研究α会不会发生变化这项工作了。他认为，我们最强大的望远镜所收集到的星光或许能解决这一问题。
其中一些星光在宇宙空间已经传播了很长时间。比如，位于夏威夷莫纳基亚山上的凯克望远镜，可以捕捉到大约120亿年前由极其明亮的星系核或类星体发出的光。某些特定波长的光波在到达地球的旅途中，会被星际空间的气体云吸收，因此在光谱上留下一条条像条形码似的暗线。因为暗线的产生涉及电子和原子核之间的相互作用，而这个相互作用的强弱又涉及α的数值。所以，α数值的任何变化都可以在含有暗线的光谱中体现出来。比如，α数值变化，这些“条形码”就整体往左或右移动，等等。
因为“光被气体云吸收”这件事发生在很久之前，又是在遥远的星际空间，这样我们就可以在宇宙的时间和空间尺度上检验α的数值是否会发生变化。当然，做这种实验是非常不容易的。首先，也许α的数值虽然在变化，但变化非常微小，不易觉察；其次，我们还要排除各种因素的干扰。
韦伯和他的同事开发了一系列的软件来分析这些复杂的吸收光谱。到1998年，他们取得了第一个成果：在120亿至60亿年前，α的数值平均增加了百万分之六——虽然变化非常微小，但毕竟说明它在变化。
这个结果当时在理论物理学界引起轩然大波。很少有人相信这一结果。因为韦伯分析的23个光谱，都来自凯克望远镜，所以很多人怀疑，这是仪器的系统误差造成的。
为了排除仪器造成误差的可能性，他们又用位于智利安第斯山的甚大望远镜得来的光谱进行分析。分析结果公布于2018年9月。他们关于α的最新说法是，它在宇宙中随着离开我们的距离，近似地以与距离成正比的规律在变化。所以，在地球附近α值的变化可能非常微小，但延伸到遥远宇宙中的其他地方，那里的α值跟我们这里的会有很大的不同，足以使那里的宇宙看起来也非常不同。
这个结果甚至可以用来解释“我们为什么至今没有找到外星人”这一世纪难题。因为生命的存在高度依赖于α的数值。如果宇宙中大多数地方的α值跟我们这里的不一样，那里的生命压根儿无法诞生，自然也就排除了存在生命的可能。
上帝掷骰子决定
不过,就目前来说，韦伯等人得出的结论依然存在很大的争议。韦伯也承认，数据的误差幅度很大，并不能对这个问题一锤定音。关键是分析中有些地方还涉及人为的主观判断。比如根据类星体光谱得出α值，需要主观地决定光谱的哪些部分可以包括进来，哪些部分可以舍弃。这些都可能会使结果产生偏差。韦伯和他的学生目前正在开发一种机器学习算法，该算法对原始数据的查看会更加全面、客观。以后，分析就可以全部交给超级计算机来完成。
另外，2018年11月，智利“甚大望远镜”上的一种新仪器ESPRESSO将上线。它是测量类星体光谱的理想仪器，能够搜索α值在过去100亿年——甚至追溯更久之前——的变化，探测范围也将扩大到整个可观测的宇宙。
那么，α值在宇宙的时间和空间尺度上到底变不变，我们就把这个问题留给未来吧。下面来看看另外一个问题。
万一更精确的测量证实这些常数确实是恒常不变的，该如何解释大自然为什么非要让这个常数是这个值而不是另一个值呢？
物理学家对这个问题也不是毫无准备的。有一种理论说，我们这个自138亿年前从大爆炸中诞生的宇宙其实不是唯一的宇宙。还存在着无数的宇宙，它们像飘在空中的气泡一样，彼此分离，不相干。当然，偶尔也会碰撞，合并，形成一个更大的宇宙泡泡。这些宇宙泡泡，每一个都有自己的一套自然常数。比如在这个泡泡里，α值是1/134，在另一个泡泡里，α值是1/156……等等。前面说过，α值决定了元素周期表中稳定元素的多寡。所以，在我们的宇宙中，稳定元素只有130多种，但在有的宇宙中，稳定元素可能达上千种，而在另一些宇宙中，稳定元素可能一种都没有……总之，在一个宇宙泡泡中，某个自然常数取这个数值而不是另一个数值，完全是随机的。
爱因斯坦曾经说：“上帝不会掷骰子。”但是在自然常数的选择问题上，我们除了假设上帝确实掷了骰子，似乎没有更好的解释。
理论家们闹笑话
既然α如此重要，自然有物理学家希望通过纯理论的手段计算出这个常数来。因为如果能从理论上推导出来，那它就算不得是个谜了。大半个世纪以来，这方面的尝试可以说是没有停过，然而还没有哪一位物理学家真正取得过成功。正如物理学家费曼所说：“这个数自50多年前发现以来一直是个谜。所有优秀的理论物理学家都将这个数贴在墙上，为它大伤脑筋……它是物理学中最大的谜之一，一个魔数来到我们身边，可是没人能理解它。你也许会说‘上帝之手’写下了这个数字，而‘我们不知道他是怎样下的笔’。”
英国物理学家爱丁顿（就是去非洲观测日全食验证广义相对论的那一位物理学家）是最早一位尝试用纯理论方法计算α的科学家。他用纯逻辑证明：1/α=(162-16)/2+16=136
这与当时的实验结果相符合。后来，更精确的实验结果出来了，发现α更接近于1/137。于是，爱丁顿声称他原先的计算中有个小错误，改正之后，他又断定1/α等于整数137。但后来的实验数据表明，1/α并不是一个整数。以后的科学家不断进行尝试，所得的计算公式也是五花八门，无奇不有。这些计算结果虽然很接近真实的数值，但是它们的命运与爱丁顿一样，都被日渐提高的实验精度所否定。
原文地址：今日头条 |
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发表于 2019-9-2 20:53:46
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