物理学中最大的迷|为什么α=1/137？

数学是一切科学的基础，而数字又是构成数学的基本要素。有时候常常在想既然数学是一切科学的基础，那么我们是不是可以用数字来解读宇宙奥秘呢？

那解开宇宙奥秘的钥匙是什么？我觉得不是某个古老的咒语，也不是山中圣人说出的话，而更可能是一个简单的数字。事实证明，在很长一段时间里，这个数字一直是极少数连接科学和神秘主义的桥梁之一，具有令人着迷的特性。

数字现在仍在激发所有人的想象力，从科学家到神秘主义者，再到社会边缘的民间术士。

我们生活在一个充满数字的世界，每个人也都有自己偏爱的数字。例如，一些数学家迷恋质数、π、欧拉数，而一些物理学家则醉心于精细结构常数、宇宙学常数等等。而精细结构常数，可能是物理学中最让人感兴趣的常数。

在宇宙学理论里，一项最有争议的问题是：为何自然界基本常数就像是为我们特别设计好的一样？据物理学家组织网报道，这些基本常数之一的“精细结构常数”，现在被科学家以确凿的证据表明其实为变数。假如结果得到公认，那么物理学家必然要重新思考许多他们所珍视的物理定律，甚至包括曾备受推崇的爱因斯坦的核心理论。

在这里三火娃先给大家讲一个小故事。

著名天才物理学家泡利来到了天堂，由于泡利在物理学界地位显著，他被允许与上帝对话。

“泡利，你可以提一个问题，你想知道什么？”

泡利立刻就问了那个在他生命最后10年一直努力探寻但却未能找到答案的问题：“为什么α=1/137？”

上帝笑了，他拿起粉笔开始在黑板上写公式，过了几分钟，他转向泡利，这是泡利正挥舞着他的手臂嚷到：“Das ist falsch（太荒谬了）！”

从泡利的故事里，我们可以想象到物理学家对这个数字的痴迷，至死都在想着如何破解，当然对这个数字着迷疯狂的并不止泡利一人。

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的确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，则是137.03599913。

著名物理学家理查德·费曼曾说：“这个数字自50多年前发现以来一直是个谜。所有优秀的理论物理学家都将这个数贴在墙上，为它大伤脑筋……它是物理学中最大的谜团之一，一个该死的谜：一个来到我们身边的‘魔数’，可是没人能理解它。你也许会说‘上帝之手’写下了这个数字，而我们不知道他是如何下笔。”

没有单位的纯数字

对物理学家来说，137是精细结构常数（1/137.03599913）的近似分母。精细结构指的是原子物理学中原子谱线分裂的样式，用来度量电磁相互作用中电荷之间的耦合强度，即电磁力控制的强度如何控制基本粒子（如电子和μ介子）与光子的相互作用。

精细结构常数是宇宙的关键物理常数之一，常用希腊字母α表示。这个常数决定了恒星如何燃烧，化学反应如何发生，甚至原子是否存在。

精细结构常数“描述了物质与光结合的程度，比如一个受激发的原子在特定时间内衰变的可能性”。常数越大，原子会衰变得越快。另一点也很重要，精细结构常数是一个单纯的数字，是物理学重要的无量纲量，即两个相同单位的数字之间的比值，这与光速不同，光速可以是每秒186,000英里或每秒300,000公里，取决于你喜欢用哪个单位。

1915年，德国物理学家阿诺尔德•索末菲发现了精细结构常数，最初的计算结果为0.00729。自此之后，这个常数似乎也代表着某种更大的形而上学真理。

精细结构常数的神秘所在

精细结构常数决定了原子光谱线之间的距离，而光谱线可以说是原子的DNA，因此，它属于那些描述宇宙基础的数字，如果它的取值有任何不同，那么物质的结构也将非常不同，我们也是如此。人们开始称精细结构常数是一个神秘的数字。

原子谱线——索姆菲尔德所发现的谱线——的语言是原子内部的真实天籁，人们提出疑问，为什么它具有这一特殊的数值，物理学家只能得出这样的结论：这个数值并非偶然。它存在于“那里，独立于我们的思维结构。”

但是在1929年，英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿开始将精细结构常数表述为1/137。爱丁顿是第一个用英语宣讲爱因斯坦广义相对论的科学家，并且在证实该理论有效性方面发挥了关键作用，他还是宇宙大爆炸等理论的早期倡导者。

爱丁顿认为，精细结构常数具有更大的精神内涵。亚瑟·爱丁顿寻求一种新的神秘主义，这种神秘主义将从自然科学中产生，也许，他觉得线索在于数字，尤其是137。爱丁顿被誉为他那个时代最伟大的天体物理学家之一，对这方面有非常重大的影响。

存在的意义

精细结构常数表示：电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空中光速的比值。

精细结构是指在微观时空中相同主量子数但不同角量子数轨道能级之间存在的差异。

精细结构常数大小等于电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空中光速的比值。

精细结构常数的含义代表了电磁相互作用的强度。

为什么是137呢

在这里我不禁想问一个问题，既然精细结构常数这么神奇，那从中我们能得到什么呢？还有α非得是这个数，我们的世界才能正常运转吗？假如α变成了1/138、1/139、1/140……会有什么样的影响?

这个思路，给一个老问题打开了全新的研究角度。1997年，澳大利亚科学家韦伯等人利用夏威夷天文台的全世界最大的光学望远镜，观测了17个极亮的类星体，通过光谱分析，得出120亿年前,精细结构常数比现在小了约十万分之一。另一组澳大利亚科学家在韦伯等人的研究基础上，分析了α变化的原因，排除了e变化的因素，他们推测可能是c发生了变化。

精细结构常数的增大会使元素周期表中稳定元素减少，当α>0.1时，碳原子将不复存在，到那时，所有的生物都将面临彻底的毁灭。

韦伯等人的发现震惊了整个理论物理学界：在宇宙的不同部位，α的值的确有细微的差别，这意味着所谓的精细结构“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。

图片来源于/图虫创意

但是，精细结构常数的增长是十分缓慢的，基本趋于恒定，这表明α很有可能会在几百亿年后停止变化。

这样看来这个小小的数字真的决定着宇宙的未来。我们还是真不能小觑每一个数字背后的神秘意义。

最后来一个暖场小游戏，你们猜猜“三火娃”这个名字是什么含义呢~

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