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宇宙的恒常与无常

2011-11-28 14:19 作者:苗千来源:三联生活周刊
韦伯等人的结论如果正确,将会颠覆物理学家们长久以来的观念:物理学中的常数将不再是恒常不变。科学家们原以为在宇宙的每一个角落,物理定律都是一样的,现在这个信心也会随之动摇,物理学的根本意义在哪里?

我可否将你比做一个夏日?

但你比夏日更加温柔。

狂风会把五月的花苞吹落地,

夏天也嫌太短促,匆匆而过。

有时太阳照得太热,

常常又遮暗他的金色的脸;

美的事物总不免要凋落,

偶然的,或是随自然变化而流转。

但是你的永恒之夏不会褪色,

你不会失去你的俊美的仪容;

死神不能夸说你在它的阴影里面走着,

如果你在这不朽的诗句里获得了永生;

只要人们能呼吸,眼睛能看东西,

此诗就会不朽,使你永久生存下去。

莎士比亚的这首十四行诗中不仅描述爱情,也包含了诗人对于无常和永恒的思考,一切事物都会随自然流转,一切都在恒久的变化中。物理学家们却少有这样的困扰,他们相信可以找到物理定律来描述和预测宇宙。物理定律是物理学家们的依赖和信仰,他们相信,在宇宙中的任何一个角落,物质都一定会遵循同样的定律运动,时空都一定可以用同样的方程来描述。这个似乎天然正确的想法最近却受到了一些物理学家的质疑,这一切,是从物理学的常数开始的。

宇宙 星空

在所有的物理理论中,总会有一些不变量经常出现,它们就是物理学常数。为了提高实验精度,人们需要物理学常数的数值越精确越好,但这些常数很少可以被直接测量得出,大多都需要一系列的实验和理论推导。一个物理学常数的数值通常都与很多看起来不相关的现象联系,只有极少数完全独立,只能通过测量得到。例如普朗克常数h、光速c、引力常数G和精密结构常数——人们用希腊字母α来表示,这些物理学基本常数构成了现代物理学的基础。我们生活中的大多数标准实际上都是由物理学基本常数所定义,比如“1米”的定义是光在真空中旅行1/299792458秒所经过的距离。而在1967年定义沿用至今的关于“1秒”的时间长度则是:“铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间。”在原子能级之间跃迁所花费的时间则是由α所决定。

但是也有物理学家一直在怀疑,这些物理学基本常数在随着时间和空间的变化而改变,我们曾经最信赖的物理学的基石,变得不再像想象中的那么可靠。首当其冲的便是精密结构常数α,这个物理学基本常量是在1916年由德国物理学家阿诺德·索莫菲(ArnoldSommerfeld)提出来引入物理学的,它通常的表达方式是电子电量的平方与普朗克常数和光速的乘积之比,最初是用来描述原子的轨道中电子速度与真空中的光速之比。但是量子电动力学(QED)并未通过推论给出这个常数的数值,它的数值人们只能通过实验来测得,约等于1/137,这也是至今为止人类测量的最精确的常数之一。随后科学家们发现了这个常数在其他理论中的应用,它同时也被称为耦合常数,用来描述电子与质子相互作用的强度。在结合弱相互作用和电磁相互作用中α也有重要作用,α也影响着原子与光子之间的相互作用,可以说,它影响着我们身边的一切。

但为什么α是现在我们观测到的这个数值?它是一直不变的吗?正如量子电动力学的奠基人之一——理查德·费曼所说,这是一个“最深刻也是最优美的问题”。从1936年起,英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)就怀疑一切物理常数都会随着时间和空间改变,这个想法启发了澳大利亚和英国的三所大学组成的一个研究小组,他们从1998年开始至今一直在探索物理定律和物理学基本常数是不是真的一成不变。

验证物理学基本常数在大的时间和空间尺度下是否仍然恒常,科学家们自然又把目光投向了遥远的宇宙。这次给科学家们提供参照的是一种叫做“类星体”的具有超大质量的星体,这种星体多居住在距离地球极为遥远的星系中央,具有超大的质量,大于很多星系(包括银河系)中央的巨型黑洞。当类星体与其他恒星相撞时,因为其具有巨大的能量,会在瞬间发出强烈的盖过整个星系的光芒。发射光芒的类星体就像是宇宙中熊熊燃烧的火炬,即使隔着几十亿光年的距离,它发出的原本具有连续光谱的光线也可以到达地球。

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