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神秘的137 精选

已有 6336 次阅读 2020-7-28 09:06 |个人分类:读书札记|系统分类:海外观察

    摘要:在过去100多年间,精细结构常数一直困扰着物理学家。新南威尔士大学悉尼分校科学家最近发表的一篇论文报告说,对130亿光年外的类星体发出的光进行的新测量,发现精细结构常数的异常现象,表明自然规律并不像以前认为的那样是不变的。

阿尔伯特•爱因斯坦(Albert Einstein,1879 - 1955)说,“这个世界最不可理解的是,它完全是可理解的(The most incomprehensible thing about the world is that it is at all comprehensible)”。

当然,“可理解”,并不等于“已理解”。杰出物理学家理查德•费曼(Richard Feynman,1918 - 1988)生前一直强调,仍然有很多事情是科学家所不知道的。他经常向同事指出的“未知”事物之一就是神秘的数字137。费曼说,“这是物理学中最伟大的谜团之一:一个神奇的数字,它是人类还不理解的。你可能会说‘上帝之手’写下了这个数字,而‘我们不知道他是如何下笔的’”(It’s one of the greatest damn mysteries of physics: a magic number that comes to us with no understanding by man. You might say the “hand of God” wrote that number, and “we don’t know how He pushed his pencil.”)。

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(图片来源:参考资料[1])

在物理学中,精细结构常数(fine structure constant)其数值约为1/137(实际上,精细结构常数的精确值是:0.007297351+/-0.000000006,或1/137.03599913),是表征基本带电粒子之间电磁相互作用强度的基本物理常数。精细结构常数,也称为索末菲常数,是德国理论物理学家阿诺德·索末菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)在1915年引入量子物理学的。精细结构常数与所用的单位制无关,它是一个无量纲的数字,这与光速不同——光速可以是每秒186,000英里,也可以是每秒300,000公里,这取决于你喜欢的单位。

α的特殊之处在于它是纯数,定义为一个电子的电荷(q)平方除以普朗克常数(h)乘以光速(c)的乘积。该数字实际上代表电子吸收光子的概率。但是,这个数字具有更重要的意义,因为它涉及到物理学的三个非常重要的领域:以电子电荷形式的电磁,以光速形式的相对性和以普朗克常数形式的量子力学。正如参考资料[1]中指出的,光速、一个电子携带的电荷和普朗克常数,出现在相对论、电磁学和量子力学等物理学关键领域的交叉点,正是它的魅力所在。自20世纪初以来,物理学家一直认为该数字可能是GUT(或大统一理论)的核心,它可能与电磁学,量子力学,尤其是重力理论相关。但是,物理学家尚未找到数字137与宇宙中任何其他物理定律之间的任何联系。

计算α的方法是把3个常数hce放在方程中(参考资料[1]):

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SI是指国际单位制,CGS指厘米--秒单位制。在上式中,e为基本电荷,image.pngh为普朗克常数,image.png为电常数(真空电容率),image.png为磁常数(真空磁导率)。在国际单位制(SI)中,c, ε0, image.png都是已知常数ceh单位相互抵消时,得到无量纲的数。

在20世纪的相当长时期里137这个数字一直困扰着物理学家们。费曼曾经这样描述说,“自从50多年前它被发现以来,它一直是一个谜,所有优秀的理论物理学家都把这个数字挂在墙上,并为此困扰。”It has been a mystery ever since it was discovered more than fifty years ago, and all good theoretical physicists put this number up on their wall and worry about it.)。

诺贝尔奖获得者沃尔夫冈泡利(Wolfgang E.Pauli1900-1958)一生都对这个数字着迷。他曾经玩笑说,“当我死后,我问魔鬼的第一个问题是:精细结构常数是什么意思?” (顺便说,泡利1958年是在苏黎世红十字医院的137病房逝世的——不知是巧合,还是他本人生前的刻意选择)。根据亚瑟·米勒(Arthur Miller)的《Deciphering the Cosmic Number(解读宇宙数)》一书,泡利还曾经说过,如果上帝允许他问任何他想要问的问题,他的第一个问题就是“为什么是1/137?”。19461213日泡利在斯德哥尔摩的诺贝尔演讲中也提到了精细结构常数,他说有必要建立一个理论来确定这个常数的值,从而解释电的原子结构,这是自然界中所有电场原子源的一个基本性质。

这个奇怪的数字的一个用途是测量像电子这样的带电粒子与电磁场的相互作用。α决定了一个受激原子发射光子的速度。它还影响原子发射光的细节。这个数字决定了恒星燃烧的方式、化学反应的发生,甚至决定了原子是否存在。英国物理学家劳伦斯•伊夫斯解释说,“精细结构常数”决定了原子光谱线之间的距离,而光谱线就是原子的 DNA”。如果这个数值改变,那么物质的结构将会非常不同,其他也是如此。人们开始把它称为一个神秘的数字。”

诺丁汉大学的物理学家劳伦斯艾夫斯(Laurence Eaves)认为,137这个数字将是人类向外星人发出的信号,表明我们对我们的星球有某种程度的掌握,并了解量子力学。外星人也知道这个数字,特别是如果他们发展了先进的科学。

新南威尔士大学的约翰韦伯(John Webb教授说,精细结构常数是衡量电磁力的一种,它是自然界四种基本力之一(其他是重力、弱核力和强核力)。电磁力使电子留在宇宙中的每个原子核周围——没有它,所有的物质都会飞散。直到最近,人们还认为它是贯穿时空的一股不变的力量。但是在过去的二十年里,韦伯教授注意到精细结构常数的异常现象,即在宇宙的某个特定方向上测得的电磁力似乎有那么细微的不同。

根据2020年4月24日发表在《SCIENCE ADVANCES(科学进展)》上的研究(参考资料[2]),新南威尔士大学悉尼分校的科学家已成功对一个距地球约 130 亿光年的类星体进行了四次观测,认为精细结构常数的数值已较此前发生了变化。约翰•韦伯团队通过 20 年的观测和研究,注意到精细结构常数中的异常现象,即在宇宙的某个特定方向上测得的电磁力似乎有细微的不同。他们宣布,“我们发现了一个线索,在宇宙的某些区域,精细结构常数的数值是不同的” 。该常数在宇宙中的某些区域内的取值或许并不相等,而这种“不相等”却不仅体现在时间上,还体现在了空间中的某一特定方向上。天文学和物理学界曾一直认为宇宙是各向同性,也就是从统计学角度上来看,宇宙在各个方向上应该都“长得一样”。物理学家发现自然常数在变化,宇宙或不具有“各向同性”。新的发现表明,自然规律“彻头彻尾的怪异”,并不像之前所认为的那样一成不变。

许多科学网站报导了新南威尔士大学的新发现,例如:2020年4月27日《ScienceDaily(科学日报)》的报导题为“New findings suggest laws of nature not as constant as previously thought(新的发现表明,自然规律并不像以前认为的那样是不变的)”(参考资料[3]);同日,Phys.org刊载的新南威尔士大学拉克兰·吉尔伯特(Lachlan Gilbert)撰写的报导文章其题目是《New findings suggest laws of nature 'downright weird,' not as constant as previously thought(新的发现表明,自然规律“彻头彻尾的怪异”,并不像之前所想的那样一成不变。)》(参考资料[4])。根据报导,韦伯教授认为,如果宇宙中存在方向性,如果电磁学在宇宙的某些区域表现出非常微小的不同,那么支撑现代物理学的最基本概念将需要修正。他说:“我们的宇宙学标准模型是建立在一个各向同性的宇宙基础上的,这个宇宙在统计学上,在各个方向都是相同的”。“这个标准模型本身是建立在爱因斯坦的引力理论之上的,它本身明确地假定了自然规律的恒常性。如果这些基本原理仅仅是一个很好的近似值,那么物理学中的一些非常令人兴奋的新思想就敞开了大门。”

韦伯教授的团队相信,这是一项更大规模研究的第一步,该研究利用世界上最大的望远镜上的新仪器获得的数据,探索宇宙的许多方向。新技术正在出现,以提供更高质量的数据。新的人工智能分析方法将有助于自动化测量,并以更快和更高的精度进行测量。

参考资料:

[1] Paul Ratner. Why the number 137 is one of the greatest mysteries in physics.31 October, 2018.

https://bigthink.com/surprising-science/number-137-physics?rebelltitem=3

[2] Michael R. Wilczynska1, John K. Webb1, et al. Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago. SCIENCE ADVANCES | RESEARCH ARTICLE. Sci. Adv. 2020; 6 : eaay9672. 24 April 2020.

https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/17/eaay9672.full.pdf

[3] University of New South Wales. New findings suggest laws of nature not as constant as previously thought. ScienceDaily. April 27, 2020.

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200427102544.htm 

[4] Lachlan Gilbert. New findings suggest laws of nature 'downright weird,' not as constant as previously thought. Phys.org. April 27, 2020.
https://phys.org/news/2020-04-laws-nature-downright-weird-constant.html




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