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基本物理常数基本吗?

基本物理常数基本吗?

从表面看起来,我们所生活于其中的整个宇宙是非常复杂而多样化的,且不说在我们的日常生活里面看到的,所经历的一切,如果我们只是观看日夜星辰的运动,尽管恒星这个词汇暗示着星星的位置是恒定的,但是它年复一年的运动轨迹,还是花费了人类几千年的功夫去观测和纪录。不过人类有一个几乎是顽固的信念,就是认为这个宇宙一定在本质上是简单的。从托勒密到哥白尼,人类在简化对于星星运动的理解上,取得了极大的成功,而这个成功实际上也开启了人类对于整个宇宙的,无论巨细的,全盘理解的成功简化。

正是哥白尼的成功,引导了伽利略对于运动提炼出了一个简单的原则:惯性原理。这个原理告诉人们,世界上最自然的运动是匀速直线运动,而任何其他的运动都是受到其他作用力的运动。然后就是天才的牛顿,他用3条定律建立了对于这个世界的一切运动的基本理论,这个理论突然使得人类感到世界是如此简洁,以至于牛顿胜利地宣称,这个世界只需要上帝在最初的时候稍微推一下,然后整个宇宙的演化,就完全由他所确立的力学定律来主宰。在他的这个世界里面,最壮观的是他基于开普勒所归纳出来的行星运动规律,而运用自己的力学原则所提出的万有引力,单纯根据万有引力的计算,后人就能够预测到太阳系新的行星的存在,使得人们相信,只要根据万有引力了的计算,也一定能够预测到整个宇宙的整个演化历史。
而具有如此威力的牛顿的万有引力的公式却是非常简单的,其中包含了一个常数,表征了作为维系整个宇宙结构的万有引力的大小。这是人类在第一次获得一个统一图像后所遇到的第一个基本物理常数。

人类获得的第二个关于世界的统一图像是由麦克斯韦给出的。如果说牛顿给出的是关于运动世界的图像,那个图像里面包含了象天体和宇宙那样宏伟的对象,那么麦克斯韦给出的则几乎可以说是关于我们所生活于其中的世俗世界的统一图像,我们日常生活当中的声色犬马,无论多么精巧的生命现象,还有无论多么绚丽繁杂的自然现象,其实,都基本上可以归结为电磁现象,当然其中只有少数象坠楼自杀和原子能发电之类除外。麦克斯韦用一组偏微分方程总结了所有的电磁现象和电磁规律,在这个基本公式里面,又一次隐含了基本物理常数,就是光在真空的传播速度。这个常数表征了电磁场与真空“相互作用”时的基本属性。
不过麦克斯韦的这个统一图像并不是很完美地与自然相吻合。随着人们的探测视野进入原子这样的微观世界,人们发现麦克斯韦的电磁理论不再正确,而是需要通过引入新的观念来加以改进。这个新的观念,就是量子的观念。最初是以玻尔为首的物理学家建立了革命性的量子力学,从而令自牛顿以来的经典物理的世界图像大为改观,然后由费曼等物理学家给出了量子电动力学,最终统一了对于世界的量子观念和电磁场的图像,使得电磁理论在量子观念的基础上获得了新生,而且这个新生,从目前看来,几乎可以说是一种永生,因为在这个覆盖面更加宏阔的图像里面,取代光速的更加基本的物理常数是所谓精细结构常数,它表征着电磁场,或者说光子,与其他物质的相互作用的强度。而运用量子电动力学对这个常数进行计算的结果,与实验测量得到的数据结果的比较,达到了人类有史以来最高的符合精度,这表示着人类理性的伟大胜利,其意义也许要超过牛顿的计算,因为此前的物理理论都只是一种近似理论,而量子电动力学,则被人们乐观地认为是一种名副其实的精确理论。

不过,怀疑论永远是存在的,毕竟我们没有任何的理由可以完全断定我们掌握了真理。所以一直就有物理学家在通过实验来检验那些物理常数,看它们究竟可以在多么高的精确度上,可以认为是常数,而一旦如果在我们测量的敏感范围内,发现了某个物理常数是可以变化的,这就意味着我们的精确理论再一次被降格为近似理论的命运。

从实验测量的角度来看,我们的测量基本上就可以归结到时间,空间等少数几个物理量的测量,因此提高这几个基本物理量的测量精度,是提高基本常数测量精度的唯一途径。在这个方面最值得人类自豪的是对于时间的测量。由于原子电结构的极端稳定性,所以通过测量原子或离子的振动频率,可以得到极其精确的时间标准。因此最精确的原子钟,就是应用电磁场捕获接近0K的原子或离子,然后再用激光或微波辐射进行激发,那么原子吸收辐射就是以非常确定的频率进行的,而这个频率可以以极高的精度进行测量,从而提供了最好的时间标度,达到了在几百万年里面,只会产生1秒的误差的程度。

最近,科学家们正是应用这种极端精确的原子钟对精细结构常数进行了迄今为止最为精确的测量。
由于目前摆在物理学家面前最大的挑战,也是最辉煌的任务,就是统一爱因斯坦提出的广义相对论和量子力学。广义相对论是目前为止代替牛顿的万有引力论的最好的物理理论,而量子力学则是我们对于微观世界的基本物理理论,这两个理论都经过了大量实验的验证,然而遗憾的是这两个理论一直无法统一起来。而按照目前很多物理学家的预测,如果要把这两者统一起来,那么精细结构常数可能在宇宙的137亿光年的历史里面,发生过很微小的变化。

在7年前,著名的美国物理学家戴森,也就是量子电动力学的开创者之一,特地考察了在非洲加蓬发现了一处天然铀沉积物,这里从20亿年前就开始进行天然的核反应,根据对这个铀沉积物的测量,他估算了20亿年前的精细结构常数的值,他得到结论说,20亿年来精细结构常数的值的变化不超过100亿分之一,也就是说平均每年的变化,如果存在的话,不会超过0.5乘10的负16次方的量级。
为了能够进一步测量到精细结构常数的可能的变化,人们自然地把目光投向遥远的过去,也就是抬头向宇宙的深处观看,因为越是距离我们遥远的地方,越是处于古老的过去。
2年前,天文学家声称可能得到了精细结构常数发生变化的一个结果。他们测量了100亿光年远处的一颗类星体,这种天体是在宇宙刚诞生不久时形成的,因此它们几乎可以说是处于宇宙的边缘。当它们所发射的光经过了100亿光年的距离而到达我们地球上面的探测器时,途中肯定穿过了不少星际的气体云,这样气体云当中的原子就肯定会吸收一些特定波长的光波,从而当类星体微弱的星光到达地球时,这些特定波长的光波在整个星光的谱上形成一个暗线,从而可以用来测量其波长,然后再在地球的实验室里面跟被相同原子吸收过的光谱相比较,他们声称发现来自类星体的光波是波长发生了微小的变化,也就意味着类星体发射的光在其 100亿年的旅途当中,光速本身发生了变化,同时也意味着精细结构常数发生了变化,他们认为现在的精细结构常数比100亿年之前增大了约百万分之7。
这个结论当然是具有非常大的冲击性的,因为这意味着很多的物理理论都必须做一定的修改,包括爱因斯坦的相对论,因为相对论的一个基本前提就是光速在真空是保持不变的。

于是人们想到了用更加精确的原子钟来检测这个结果。法国巴黎天文台的物理学家马龙和美国国家标准局的贝格奎斯特合作对这个结论进行了更加严密和精确的检测,而他们最近发布的结果是,如果精细结构常数在100亿年里面发生了改变的话,这个变化的大小不会超过平均每年7乘10的负15次方到7乘10的负16 次方的量级,这个结果和戴森的估计是基本一致的。显然声称发现了精细结构常数发生变化本身是不精确的测量结果。
也许爱因斯坦要松一口气了,因为至少到今天为止,我们可以说,即使有人认为精细结构常数会随时间发生变化,那么这个变化也是我们目前最精确的手段都无法测量到的。所以我们仍然可以说,基本常数还是基本的。

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