【物理探索】精細結構常數,一個讓無數物理學家為之痴迷的數。

2020-11-23 搜狐網

原標題：【物理探索】精細結構常數，一個讓無數物理學家為之痴迷的數。

精細結構常數，可能是物理學中最讓人感興趣的常數。

英國天文學家詹姆斯·金斯爵士（Sir James Jeans，瑞利-金斯公式的提出者）曾斷言：「上帝是個純粹數學家！」我們的宇宙看起來也的確是圍繞著優美的數學關係式而構建的，而讓物理學家們最為著迷的那個數，則是137.03599913。

這個數有什麼奇妙之處呢？讓我來細細解釋。科學家測量任何物理量時，都要明確它們的單位是什麼，例如光速是300000千米每秒，但如果用英裡每秒作為單位的話就是186000英裡每秒。你的體重可以是120斤，也可以是60公斤。如果你不知道一個量的單位，知道它的大小就毫無意義——除非它是個純數字，壓根就沒有單位。

最著名的純數字，來自自然界的三個最基本的物理量：光速c、單電子電荷e和量子力學的普朗克常數h的組合，如果我們計算hc/2πe2，就會發現三個常量的單位恰好抵消，只剩下一個純數：137.03599913。換句話說，如果瓦肯星（《星球大戰》系列中一個存在智慧生命的外星）的科學家使用瓦肯星的單位計算這個量，他們仍然會得到137.03599913。因此，這個奇妙的數字就被看作是自然界的普適常數，金斯爵士可能會把它稱為「上帝的產物」。

既然他這麼重要，它自然應該有自己的名字和符號。出於歷史原因，人們使用了它的倒數：2πe2/hc = 1/137.03599913，稱它為「精細結構常數」（fine-structure constant），並用希臘字母α來表示。

α可以用來幹嘛呢？它可以用來度量帶電粒子（如電子）與電磁場的作用強度，例如，受激發的原子發射光子的速度就由它決定。如果α擴大一倍，原子衰變的速度也會增加一倍。α也決定了帶電粒子在電磁場中運動的軌跡，這是老式電視陰極射線管顯示器的基礎。

α在原子發射光的細節過程中也起著重要作用。電子在原子核周圍運動時會產生磁場，磁場又會與同一原子中別的電子發生相互作用，使原子能級發生細微的變化。能級的變化會通過原子發射光的波長變化體現出來，在光譜中產生「劈裂現象」，即原來的一條吸收線劈裂成相距很近的兩條。這就是所謂的「精細結構」（fine structure），在太陽和恆星光譜中都存在。能級劈裂的寬度正比於α，這就是「精細結構常數」之名的來源。

α也引起了一些深奧的理論問題。物理學中引人注目的無單位常量，除了精細結構常數以外，還有電磁力與引力強度的比值：1040（沒錯，引力就是這麼弱）。長久以來，物理學家和宇宙學家一直在想，像1/137.03599913和10^40這樣的數字到底是從哪裡來的呢？它們是碰巧取了這個值呢，還是來自宇宙更深層的理論？

物理學家多次嘗試從物理學理論導出α，或編造出一個含有α的數學公式，然而都沒有成功。在20世紀20年代，對物理學常量的測量還不那麼精確，以至於科學家認為α就是1/137。天文學家亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）曾專門尋找一個可以同時導出137和1040的理論，當然是一無所獲。後來在1969年，瑞士一位年輕的數學家阿爾芒·維勒（Armand Wyler）發現(9/16π3)(π/5!)¼的結果約為1/137.036，與當時測得的α值相符合，然而，他的公式背後沒有任何可信的理論作為支撐，只能作為一種數字遊戲。此後，還有一些類似的嘗試，但都沒有獲得物理學界的承認。

所以，從1/137.03599913這個數中我們能得到什麼呢？α非得是這個數，我們的世界才能正常運轉嗎？假若我們明天一早醒來α變成了1/138，會有多大的影響？

這個思路，給一個老問題打開了全新的研究角度。澳大利亞新南威爾斯大學的約翰·韋伯（John Webb）對遙遠天體發出的光譜中的精細結構進行了深入的研究，這些天體距離我們有幾十億光年，因此它們發出的光也來自於幾十億年前，對它們光譜的研究，有助於我們了解在宇宙早期，精細結構常數的值是否與現在相同。

他們的發現震驚了整個理論物理學界：在宇宙的不同部位，α的值的確有細微的差別，這意味著所謂的精細結構「常數」根本就不是一個不變的常數，而是會隨著時間地點的變化而變化。

雖然要寫入教科書還為時尚早，大自然最重要的純數字之一可能是個變量這一發現已經引起了相當大的爭議。如果金斯爵士還在世，他可能會覺得上帝不僅是個純數學家，還是個性情反覆無常的純數學家。

文章來源：環球科學美國人

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