物理學中的基本常數有多基本?

2020-12-14 火星科普

在宇宙的遙遠角落裡，光的傳播速度會比我們所知的光速更快或者更慢嗎？

在現有的物理體系中，光速以及其他幾十個所謂的宇宙基本常數一樣，它們都是物理學家理解宇宙的關鍵。這些常數甚至還能被用於定義度量單位，比如米、秒以及千克。然而，對於為什麼基本常數必須是常數的問題，物理學界還沒有達成共識。

上個月，《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌上的一篇新論文[1]提出了一項實驗，以研究這些物理學中毫不動搖的支柱是否在時空中波動。如果是這樣，科學家將需要重新評估現有的宇宙模型，或者至少給這些所謂的基本常數起一個不同的名字。

物理學中的常數有多基本？

美國國家標準與技術研究所（NIST）的物理學家Peter Mohr表示，基本常數本質上只是理論中出現的參數。基本常數對理論具有根本的重要性，但它們的數值無法被理論所預測，必須通過實驗來測量。

Mohr參與了千克新定義的研究，這個定義是基於一個基本常數——普朗克常數，而不是自1889年以來一直被使用的一塊鉑合金。物理學家的目標是建立一個測量質量的標準，這個標準能夠經受住時間的考驗，而不會像物質塊那樣因為汙染和降解而增重或減重。

由於很多度量單位的定義都是建立在基本常數之上，如果基本常數發生變化，這會改變重新定義的單位。但數十年來的實驗數據表明，這些常數的任何潛在變化都是極其微小的——不到10億億分之一。這些變化即使存在，也會非常小，物理學家不用在大多數實驗中考慮它們。

事實上，如果這些基本常數變化太大，作為粒子物理學基礎理論的標準模型就無法經受住數十年的嚴格實驗檢驗，標準模型也就不可能預測夸克和希格斯玻色子等基本粒子的存在。標準模型描述了物質是由什麼構成的，以及物質如何與除引力之外的三個基本力發生相互作用。

儘管基本常數的可能變化太小，不足以推翻現代物理學，但這仍能顯著改變我們對暗物質、暗能量等尚待理解事物的看法。

物理學的發展方向

誇美紐斯大學的物理學家Lukas F. Pasteka是這篇新論文的第一作者，他表示，我們清楚物理學家需要超越標準模型，但我們不清楚應該朝哪個方向走——弦理論，還是超對稱性，還是其他一些理論。

在現有的前沿物理學理論中，有些包括了對基本常數變化的預測。一項足夠精確的實驗可以檢驗這些預測，並幫助縮小範圍。

新的物理學測試

如果有一把長度相當於太陽系直徑的尺子，那麼，這把尺子的10億億分之一的變化大約等於一根頭髮的寬度。乍一看，測量這種程度的變化聽起來可能極端困難，但事實果真如此嗎？

此前，直接探測到引力波的雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）擁有極高的靈敏度。LIGO兩條幹涉臂的長度均達到了4公裡，其靈敏度可以探測到10萬億億分之一的變化，這意味著LIGO可以檢測到相當於一個質子寬度千分之一的長度變化。由此，LIGO最遠已經探測到了90億光年外的黑洞碰撞所輻射出的引力波。

物理學家認為，這種靈敏度正是他們檢測基本常數變化所需要的，這已經超越當前的極限。通過觀測LIGO過去和未來收集的數據，物理學家希望能探測到一些基本常數變化所產生的信號，這些常數包括光速、普朗克常數、電子的電荷和質子-電子質量比。

另外，這項研究還提出了一種不同的方法，可以使用更小的儀器來直接監測原子間的鍵距，比如金原子間的鍵距。與LIGO相比，這種方法可能更直接，但不那麼敏感。在獲得有意義的數據之前，這兩種方法都至少需要幾年時間，甚至更長時間。

最終，這些新的測量方法將會讓物理學家知道，要麼基本常數比以往任何時候都更恆定，要麼根本就不那麼恆定。基於此，物理學家可能會找到物理學的發展方向。

參考文獻

[1] Lukas F. Pasteka, Yongliang Hao, Anastasia Borschevsky, et al., Material Size Dependence on Fundamental Constants, Physical Review Letters, 2019, 122, arXiv:1809.02863v2.

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