精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù) 一個(gè)讓無(wú)數(shù)物理學(xué)家為之癡迷的數(shù)

1、.精細(xì)構(gòu)造常數(shù) 一個(gè)讓無(wú)數(shù)物理學(xué)家為之癡迷的數(shù)英國(guó)天文學(xué)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(gè)純粹數(shù)學(xué)家！我們的宇宙看起來也確實(shí)是圍繞著優(yōu)美的數(shù)學(xué)關(guān)系式而構(gòu)建的，而讓物理學(xué)家們最為著迷的那個(gè)數(shù)，那么是137.03599913。這個(gè)數(shù)有什么奇妙之處呢？讓我來細(xì)細(xì)解釋。科學(xué)家測(cè)量任何物理量時(shí)，都要明確它們的單位是什么，例如光速是300000千米每秒，但假如用英里每秒作為單位的話就是186000英里每秒。你的體重可以是120斤，也可以是60公斤。假如你不知道一個(gè)量的單位，知道它的大小就毫無(wú)意義除非它是個(gè)純數(shù)字，壓根就沒有單位。最著名的純數(shù)

2、字，來自自然界的三個(gè)最根本的物理量：光速c、單電子電荷e和量子力學(xué)的普朗克常數(shù)h的組合，假如我們計(jì)算hc/2e2，就會(huì)發(fā)現(xiàn)三個(gè)常量的單位恰好抵消，只剩下一個(gè)純數(shù)：137.03599913。換句話說，假如瓦肯星?星球大戰(zhàn)?系列中一個(gè)存在智慧生命的外星的科學(xué)家使用瓦肯星的單位計(jì)算這個(gè)量，他們?nèi)匀粫?huì)得到137.03599913。因此，這個(gè)奇妙的數(shù)字就被看作是自然界的普適常數(shù)，金斯爵士可能會(huì)把它稱為“上帝的產(chǎn)物。既然他這么重要，它自然應(yīng)該有自己的名字和符號(hào)。出于歷史原因，人們使用了它的倒數(shù)：2e2/hc = 1/137.03599913，稱它為“精細(xì)構(gòu)造常數(shù)fine-structure constan

3、t，并用希臘字母來表示?？梢杂脕砀陕锬?？它可以用來度量帶電粒子如電子與電磁場(chǎng)的作用強(qiáng)度，例如，受激發(fā)的原子發(fā)射光子的速度就由它決定。假如擴(kuò)大一倍，原子衰變的速度也會(huì)增加一倍。也決定了帶電粒子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡，這是老式電視陰極射線管顯示器的根底。在原子發(fā)射光的細(xì)節(jié)過程中也起著重要作用。電子在原子核周圍運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)又會(huì)與同一原子中別的電子發(fā)生互相作用，使原子能級(jí)發(fā)生細(xì)微的變化。能級(jí)的變化會(huì)通過原子發(fā)射光的波長(zhǎng)變化表達(dá)出來，在光譜中產(chǎn)生“劈裂現(xiàn)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(xì)構(gòu)造fine structure，在太陽(yáng)和恒星光譜中都存在。能級(jí)劈裂的寬度正比于，

4、這就是“精細(xì)構(gòu)造常數(shù)之名的來源。也引起了一些深?yuàn)W的理論問題。物理學(xué)中引人注目的無(wú)單位常量，除了精細(xì)構(gòu)造常數(shù)以外，還有電磁力與引力強(qiáng)度的比值：1040沒錯(cuò)，引力就是這么弱。長(zhǎng)久以來，物理學(xué)家和宇宙學(xué)家一直在想，像1/137.03599913和1040這樣的數(shù)字到底是從哪里來的呢？它們是碰巧取了這個(gè)值呢，還是來自宇宙更深層的理論？物理學(xué)家屢次嘗試從物理學(xué)理論導(dǎo)出，或編造出一個(gè)含有的數(shù)學(xué)公式，然而都沒有成功。在20世紀(jì)20年代，對(duì)物理學(xué)常量的測(cè)量還不那么準(zhǔn)確，以致于科學(xué)家認(rèn)為就是1/137。天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓Arthur Eddington曾專門尋找一個(gè)可以同時(shí)導(dǎo)出137和1040的理論

5、，當(dāng)然是一無(wú)所獲。后來在1969年，瑞士一位年輕的數(shù)學(xué)家阿爾芒·維勒Armand Wyler發(fā)現(xiàn)9/163/5!的結(jié)果約為1/137.036，與當(dāng)時(shí)測(cè)得的值相符合，然而，他的公式背后沒有任何可信的理論作為支撐，只能作為一種數(shù)字游戲。此后，還有一些類似的嘗試，但都沒有獲得物理學(xué)界的成認(rèn)。所以，從1/137.03599913這個(gè)數(shù)中我們能得到什么呢？非得是這個(gè)數(shù)，我們的世界才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)嗎？假假設(shè)我們明天一早醒來變成了1/138，會(huì)有多大的影響？這個(gè)思路，給一個(gè)老問題翻開了全新的研究角度。澳大利亞新南威爾士大學(xué)的約翰·韋伯John Webb對(duì)遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光譜中的精細(xì)構(gòu)造進(jìn)展了深化的研究，這些天體間隔 我們有幾十億光年，因此它們發(fā)出的光也來自于幾十億年前，對(duì)它們光譜的研究，有助于我們理解在宇宙早期，精細(xì)構(gòu)造常數(shù)的值是否與如今一樣。他們的發(fā)現(xiàn)震驚了整個(gè)理論物理學(xué)界：在宇宙的不同部位，的值確實(shí)有細(xì)微的差異，這意味著所謂的精細(xì)構(gòu)造“常數(shù)根本就不是一個(gè)不變的常數(shù)，而是會(huì)隨著時(shí)間地點(diǎn)的變化而變化。雖然要寫入