在科幻小說《銀河系漫遊指南》中,人類向銀河系最大的超級計算機提出了一個有深度的問題:宇宙的意義是什麼?這個超級計算機在經過750萬年的處理後,給出了一個答案:42。但是,物理學家不同意這個觀點,他們認為宇宙的意義應該是精細結構常數,這個常數用希臘字母α來表示。
在許多物理常數中,光速算是最出名的那個,它不取決於參考系的選取,並幫助愛因斯坦建立了著名的相對論。但是,和光速不同的是,精細結構常數是一個無量綱的數,這意味著它們是抽象數字值,與任何特定類型的單位都沒有關聯。12月2日發表在《自然》雜誌上的一項研究,把精細結構常數的有效數字從8位增加到了11位。
粒子物理學的標準模型非常成功,因為基本上所有實驗結果都與理論相符合。但是,標準模型無法解釋暗物質、暗能量以及宇宙中物質與反物質之間的不平衡。由於標準模型所預測的和實驗觀察之間的細微差異可能產生新的物理學,因此,這些基本物理常數需要更高的精度值。其中,細結構常數特別重要,因為它確定了光與帶電基本粒子之間的電磁相互作用強度。
一般來說,精細結構常數的數值大約為1/137。由於這個數字較小,我們可以知道它所代表的電磁力也是比較小的。但是對於宇宙來說,它又不會顯得太小,如果該常數變為1/138,那麼恆星就不會形成,碳也無法在恆星核心中產生,生命就無法存在。這也就意味著,它是塑造整個宇宙的常數。
這項研究是由巴黎卡斯特勒布羅塞爾實驗室的四個物理學家組成的團隊完成的,該論文報告了迄今為止最精確的精細結構常數的測量,為1/137.03599920611,遺憾的是,團隊並不能100%確定最後兩位數字。他們報告的誤差僅為萬億分之81,這使得新測量結果的精度幾乎是上一次測量結果的三倍。
測量精細結構常數的實驗是非常複雜的,他們使用物波幹涉測量法來測量一個銣原子吸收一個光子的反衝速度。這包括將銣原子冷卻到接近絕對零度、將它們放在真空室中、使用雷射實現量子疊加等等。
物理學家曾經想知道精細結構常數的值從何而來,保羅·狄拉克認為這個數字的起源是「物理學中最根本的未解決的問題」,理察·費曼形容它是「一個沒有被理解的魔術數字」。但現在,隨著測量精度的提高,物理學家不再只是簡單地把它作為宇宙的基本常量,它可能會揭開宇宙的奧秘,並最終揭示生命的意義。