精细结构常数 一个让无数物理学家为之痴迷的数

英国天文学家詹姆斯·牛仔裤爵士(瑞利-牛仔裤公式的创始人)曾断言:“上帝是一个纯粹的数学家！”似乎我们的宇宙确实是围绕着美丽的数学关系建立的，而最让物理学家着迷的数字是137.039999913

这个数字有什么了不起的？让我详细解释一下。当科学家测量任何物理量时，他们必须知道他们的单位是什么，例如，光速是每秒300000公里，但是如果用英里每秒作为单位，它是每秒186000英里。你的体重可以是120公斤或60公斤。如果你不知道一个量的单位，知道它的大小是没有意义的——除非它是一个纯数字，否则根本就没有单位。

最著名的纯数是自然界三个最基本的物理量的组合:光速C、单电子电荷E和量子力学的普朗克常数H。如果我们计算hc/2πe2，我们会发现三个常数的单位正好抵消，只剩下一个纯数:137.03599913。换句话说，如果来自瓦肯星(星球大战系列中有智能生命的外星人)的科学家使用瓦肯星的单位来计算这个数量，他们仍然会得到137.039913。因此，这个奇妙的数字被认为是自然界中的一个普遍常数，珀金斯爵士可以称之为“上帝的产物”。

既然他如此重要，它自然应该有自己的名字和符号。由于历史原因，人们使用了它的倒数:2πe2/hc = 1/137.03599913，它被称为“精细结构常数”，用希腊字母α表示。

α可以用来做什么？它可以用来测量带电粒子(如电子)和电磁场之间的相互作用强度。例如，受激原子发射光子的速度是由其决定的。如果α翻倍，原子衰变的速度也会翻倍。阿尔法还决定了带电粒子在电磁场中的轨迹，这是老式电视阴极射线管显示的基础。

阿尔法在原子发出的光的细节中也起着重要的作用。当电子围绕原子核运动时，会产生磁场。磁场将与同一个原子中的其他电子相互作用，导致原子能级的微小变化。能级的变化将被原子发出的光的波长变化所反射，导致光谱中的“分裂现象”，即原始的吸收线分裂成两条间隔很近的线。这就是所谓的“精细结构”，存在于太阳光谱和恒星光谱中。能级分裂的宽度与α成正比，α是“精细结构常数”的来源。

阿尔法也引起了一些深刻的理论问题。物理学中显著的无单位常数，除了精细结构常数之外，还包括电磁力与重力强度之比:1040(是的，重力很弱)。物理学家和宇宙学家已经思考了很长时间，像1/137.0359913和10 40这样的数字从何而来？他们是碰巧接受了这个值，还是来自更深层次的宇宙理论？

物理学家已经多次试图从物理理论中推导出α，或者发明一个包含α的数学公式，但是他们没有成功。在20世纪20年代，物理常数的测量不太精确，以至于科学家认为α是1/137。天文学家阿瑟·爱丁顿曾经寻找一个可以同时得出137和1040的理论，但是他当然什么也没找到。后来，在1969年，一位年轻的瑞士数学家阿曼德·怀勒发现了(9/16π3)(π/5！)& frac14结果约为1/137.036，与当时测得的α值一致。然而，他的公式背后没有可信的理论，它只能被用作数字游戏。从那以后，有过一些类似的尝试，但是没有一个被物理学界所认可。

那么，我们能从数字1/137中得到什么呢？α必须是这个数字才能让我们的世界正常运转吗？如果我们明天一早醒来，α变成1/138，会有多大影响？

这一思路为一个老问题开辟了一个全新的研究角度。澳大利亚新南威尔士大学的约翰·韦伯(John Webb)对距离我们数十亿光年的遥远天体发出的光谱中的精细结构进行了深入研究，因此它们发出的光也来自数十亿年前。对它们光谱的研究有助于我们理解早期宇宙中精细结构常数的值是否相同。

他们的发现震惊了整个理论物理圈:在宇宙的不同部分，α的值确实有细微的差别，这意味着所谓的精细结构“常数”根本不是常数，而是会随着时间和地点而变化。

虽然现在写教科书还为时过早，但是发现自然界最重要的纯数字之一可能是一个变量已经引起了相当大的争议。如果珀金斯爵士还活着，他可能会认为上帝不仅是一个纯粹的数学家，而且是一个个性反复无常的纯粹数学家。