物理学家圈子里流传着的名叫1除以137, 而不号称物理学最大学未解之谜之一它, 神秘数字是137: 它叫精细结构常数, 保罗·狄拉克直言它还是物理界最根本的问题, 更准确地说。
沃尔夫冈·泡利更绝, 放话说自己死后要问魔鬼的第一个问题就是精细结构常数到底啥意思, 连理查德·费曼这种级别的大牛, 也一辈子惦记着它, 要说这数为什么这么让人上头, 还得从原子发光说起。
从光谱线里挖出来的秘密
19世纪末, 科学家发现, 电子在原子里经不同能级间发生跃变时, 会释放出携带特定能量的款型粒子；该款型粒子途经棱镜作用后, 可形成一根连一根带明显间隔的光谱线。那个时期, 所有研究者均坚信, 每根被如此处理过、呈现为明确条状的线, 它本质上就是一根简单纯净、不带杂晕的标准谱线。
只要结果测量的精度被一提升, 坏事就发生了。原本看似单条的谱线由其是由, 两条之间能量几乎一模一毫无差的线所构成的, 而且只是这两条线之间靠得特别异常地近乎很近。这个这样的这个结构现象却是被叫做叫做“精细结构”这样。德国物理学家那阿诺德·索末菲在一九一六年那一年出手的话, 结合相对论和与此以及像像电子自旋两者还有两者间轨道磁场它们相互作用的话, 却成功地算出那条线那条着看其存在之差来。
索末菲的推导中窜出了一组固定排列: 电子电荷、光速、真空中的介电常数、普朗克速率常数。代入这四项基础物理学里的物理常数算一算后居然单位全消了。库伦量、秒阶单位、千克阶物质量度、米长度量单位, 悉数消去后最终只剩一个纯量数: 约等于1/137的无量纲常数。
这意味着它不依靠任何现存单位制式计量标准, 甭管是通行全球的国际单位, 源起英伦的制式计量标准, 还是那些人类未知存在创造出的外星计量模式, 运算得出的数据结果完全保持一致。它属于宇宙自发产生且天生就有的出厂设置参数。而且这个常数数值在各类物理学范畴中不断彰显: 两个电子相互接触后产生的排斥能量, 恰好等同于光子能量的一百三十七分之一；波尔原子理论范畴里基态电子所延伸出的轨道运算速度, 也等同于光速的二百七十四又百八十六分之之一百三十七这个比例数值；而且基态电子内部蕴含的能量, 相较电子静止状态所拥有的质量能量, 超出了一千八百九十六十九分之一倍左右。仿佛整个电磁领域内的一切物质, 都依旧按着这特定比例尺标准堆砌组建而成。
实质上, 这款描述的是电磁力的耦合强度……电子发射/吸取光子, 那个最根基的量子历程, 其产生概率大体跟那个位数的平方挂钩……这就是电磁相互效果的一把称量刻度！
调一点点，宇宙就废了
更诡异的是这个数字, 并不是恒定不变。物理学家发现, 它随相互作用的能量高低而波动——能量越高常数越大。倒推到大爆炸, 刚发生时的宇宙温度极高, 它应该接近1, 随着宇宙膨胀冷却, 它才一路滑到现在的, 1/137左右。
问题是, 为何要停在这儿? 没人知道它为啥没能一路跌到零, 反倒卡在这看似普通、可又绝顶精妙数字之上。
更让人细思欲绝悚惧欲绝, 要是此微数稍稍微微变得变化, 全全整个世界骤然顷刻坍缩崩裂啦。设若它确切零零, 基础电磁力即刻倏地消散不见了, 微末电子与宏硕原子核绝对不再互相吸引勾扯往来连接拉系, 微观原子基础半点也无从形构建凝聚成完整之物。
不存在原子的情况下, 不存在分子, 不存在化学反应, 更没法谈生命。若它稍微大那么一点, 电子将被拉近至更靠近原子核的地方, 生成化学键的过程会变得十分困难, 完全无法搭建起复杂的有机分子。如果它略微小那么一点, 电子与原子核之间的束缚会变得过于松懈, 原子和分子发生碰撞后就会立即散开。
有估算认为, 只要百分之几它变动, 恒星内部的核聚变就无法产出碳元素。碳是已知生命的骨架, 没了碳, 生命无从谈起。所以此数必须卡在一个极其狭窄的“宜居带”里, 多一分少一分都不行。
这就引出人择原理。众多物理学家认为: 宇宙刚诞生时的物理常数本是随机设定的。若有无数个平行宇宙, 那绝大多数宇宙要么没原子, 要么没碳。我们刚好出生在参数刚好足够孕育生命的宇宙里。无需惊讶于137为什么这么刚好, 不够刚好的宇宙里压根没人会关心这种问题。
全宇宙通用的暗号
因为它属无量纲的纯数字, 此令它成了全宇宙独一份的“通用语言”。倘若人类需给外星文明发条信息证明自己是智慧生命, 发文字他们不明其意, 发公式符号体系同样有别。但但但凡你发向“137”, 对方霎那便可感悟: 这是谙晓物理的文明。
因为不论他们用何种进制, 用何种单位, 只要对原子观察过, 对光谱测量过, 就一定会碰到这个完全相同的数字。它是宇宙的“指纹”, 是写在自然法则最底层的暗号, 是全宇宙通用的暗号。
所以研究物理的人士对137痴迷至极, 乃因它实在至关重要。它是一方框子, 藉其我们或可察知自然规律最深层的组织结构逻辑之际。偏偏当下我们手中捏着框子的拉手, 偏又未曾觅得推开它的门路。