精细结构常数 一个让无数物理学家为之痴迷的数

1、.精细构造常数 一个让无数物理学家为之痴迷的数英国天文学家詹姆斯·金斯爵士Sir James Jeans，瑞利-金斯公式的提出者曾断言：“上帝是个纯粹数学家！我们的宇宙看起来也确实是围绕着优美的数学关系式而构建的，而让物理学家们最为着迷的那个数，那么是137.03599913。这个数有什么奇妙之处呢？让我来细细解释。科学家测量任何物理量时，都要明确它们的单位是什么，例如光速是300000千米每秒，但假如用英里每秒作为单位的话就是186000英里每秒。你的体重可以是120斤，也可以是60公斤。假如你不知道一个量的单位，知道它的大小就毫无意义除非它是个纯数字，压根就没有单位。最著名的纯数

2、字，来自自然界的三个最根本的物理量：光速c、单电子电荷e和量子力学的普朗克常数h的组合，假如我们计算hc/2e2，就会发现三个常量的单位恰好抵消，只剩下一个纯数：137.03599913。换句话说，假如瓦肯星?星球大战?系列中一个存在智慧生命的外星的科学家使用瓦肯星的单位计算这个量，他们仍然会得到137.03599913。因此，这个奇妙的数字就被看作是自然界的普适常数，金斯爵士可能会把它称为“上帝的产物。既然他这么重要，它自然应该有自己的名字和符号。出于历史原因，人们使用了它的倒数：2e2/hc = 1/137.03599913，称它为“精细构造常数fine-structure constan

3、t，并用希腊字母来表示。可以用来干嘛呢？它可以用来度量带电粒子如电子与电磁场的作用强度，例如，受激发的原子发射光子的速度就由它决定。假如扩大一倍，原子衰变的速度也会增加一倍。也决定了带电粒子在电磁场中运动的轨迹，这是老式电视阴极射线管显示器的根底。在原子发射光的细节过程中也起着重要作用。电子在原子核周围运动时会产生磁场，磁场又会与同一原子中别的电子发生互相作用，使原子能级发生细微的变化。能级的变化会通过原子发射光的波长变化表达出来，在光谱中产生“劈裂现象，即原来的一条吸收线劈裂成相距很近的两条。这就是所谓的“精细构造fine structure，在太阳和恒星光谱中都存在。能级劈裂的宽度正比于，

4、这就是“精细构造常数之名的来源。也引起了一些深奥的理论问题。物理学中引人注目的无单位常量，除了精细构造常数以外，还有电磁力与引力强度的比值：1040没错，引力就是这么弱。长久以来，物理学家和宇宙学家一直在想，像1/137.03599913和1040这样的数字到底是从哪里来的呢？它们是碰巧取了这个值呢，还是来自宇宙更深层的理论？物理学家屡次尝试从物理学理论导出，或编造出一个含有的数学公式，然而都没有成功。在20世纪20年代，对物理学常量的测量还不那么准确，以致于科学家认为就是1/137。天文学家亚瑟·爱丁顿Arthur Eddington曾专门寻找一个可以同时导出137和1040的理论

5、，当然是一无所获。后来在1969年，瑞士一位年轻的数学家阿尔芒·维勒Armand Wyler发现9/163/5!的结果约为1/137.036，与当时测得的值相符合，然而，他的公式背后没有任何可信的理论作为支撑，只能作为一种数字游戏。此后，还有一些类似的尝试，但都没有获得物理学界的成认。所以，从1/137.03599913这个数中我们能得到什么呢？非得是这个数，我们的世界才能正常运转吗？假假设我们明天一早醒来变成了1/138，会有多大的影响？这个思路，给一个老问题翻开了全新的研究角度。澳大利亚新南威尔士大学的约翰·韦伯John Webb对遥远天体发出的光谱中的精细构造进展了深化的研究，这些天体间隔 我们有几十亿光年，因此它们发出的光也来自于几十亿年前，对它们光谱的研究，有助于我们理解在宇宙早期，精细构造常数的值是否与如今一样。他们的发现震惊了整个理论物理学界：在宇宙的不同部位，的值确实有细微的差异，这意味着所谓的精细构造“常数根本就不是一个不变的常数，而是会随着时间地点的变化而变化。虽然要写入