人们说，生命中唯一确定的事情是死亡和税收。而科学中也充满了我们可以确定的常数。

例如真空中的光速、引力常数、普朗克常数和基本电荷等。但在宇宙中所有的常数中，有一个比其他任何常数更让物理学家兴奋。它有时被戏称为生命、宇宙和一切的答案，但它不是42，而是1/137。

欢迎来到公众号澍雨芸汐，这里有更多的天文物理知识。准确地说，它是1/137.03599084，但137已经足够接近了。这个数字在量子物理学中随处可见，成为了量子力学创始人中的迷恋。它被理查德·费恩描述为物理学中最大的神秘之一，一个由上帝之手写下的神奇数字。保罗·迪拉称它为物理学中最基本的未解决问题，沃尔夫冈·泡利说，当我死时，我对魔鬼的第一个问题将是：细结构常数的意义是什么？

那么1/137到底是什么？它是如何被发现的？为什么它如此重要？细结构常数，也被称为萨默菲尔德常数，是一个量化带电粒子之间的力和电磁力的基本物理常数。这个常数的发现始于1887年，当阿尔伯特·米克尔森和爱德华·莫利对氢原子光谱进行精确测量时。当元素在其核周围的轨道中改变能级时，它们会发射具有特定能量的光子。通过将这种能量分解成特定的光波长，我们可以为该特定原子产生光谱，而每种元素的原子都有其独特的光谱。

但随着我们获得了进行更精确测量的能力，人们发现了一些问题。首先，光谱分析中测得的能量与我们的预期值不完全一致，这意味着我们的方程中的某些东西必须是错误的。此外，人们发现光谱图中的每一条线实际上都是两条非常接近的线。这些几乎相同的线对被称为细结构。

在1916年的一篇论文中，德国物理学家阿诺德·萨默菲尔德观察到，这两条线之间的差异总是一个特定数字的倍数。他将这个数字命名为细结构常数，用希腊字母α表示，该数字由现在屏幕上的方程表示。这个公式实际上包括了我们已经提到的一些常数，e是基本电荷，ε₀是电常数，ħ是约化普朗克常数，c是光速，π当然就是π。由于这些都是常数，我们可以插入它们的值，得到大约1/137。仅仅这一点可能不足以让物理学家兴奋，这些常数的全部意义就是它们经常出现在这样的方程中。

物理学家如此感兴趣的是，1/137是我们得到的唯一结果。那个答案中有一个明显的遗漏，那就是没有测量单位。c以米/秒表示，e以库仑表示，但这个方程中的所有测量单位都被取消了，使细结构常数变得无量纲，它只是一个数字，使它更像π而不是那个方程中的其他常数。虽然它不是物理学中唯一的无量纲常数，但它是最吸引科学家注意的那一个。其他的无量纲常数大多是各种夸克和轻子的权重，这些权重比它们有趣得多。如果细结构常数只作为这些光谱线对之间的差异出现，它可能只是一个有趣的小知识。

然而，随着量子物理学的研究进展，这个数字开始出现在各个地方。这个数字开始出现在无数不同的光和物质方程中。这就是这个数字是如何被发现的，但尽管有一个世纪的物理学家对它迷恋，我们仍然没有更接近理解它的重要性。那么为什么1/137似乎是量子物理学中最重要的数字呢？虽然细结构常数有其特定的用途，但没有明显的理由说明这个数字为什么会在它出现的那么多地方继续出现。迄今为止，我们实际上还没有对此的答案。

137是一个质数，似乎与任何其他数学常数都没有关系，我们对其起源没有真正的解释。这使许多物理学家走上了数字学的错误道路，试图找到一个解释。这在20世纪初尤为明显，当时人们认为细结构常数应该恰好是1/137，而不仅仅是接近那个数字。英国物理学家阿瑟·埃丁顿爵士曾争论这个数字应该恰好是136，因为他计算出宇宙中的质子数量是136乘以2的256次方。现在人们不再相信这些计算之间有任何关系，但这是一些早期量子物理学家所面对的迷信的一个例子。目前，我们没有任何理论可以预测微结构常数的值。这种常数的值只能通过实验测量来确定，我们只能使用这个测量来对宇宙做其他预测，而不理解这个值为什么是它现在的数字。所以我们不知道这个数字从哪里来，但这个数字真的那么重要吗？答案绝对是肯定的。

正如我们之前所说，微结构常数量化了电磁力的强度。我们在日常生活中所经历的一切都受到重力或电磁力的支配，如果这个常数即使稍微有所不同，生命在宇宙中根本就不能存在。如果这个数字更高或更低，它会改变电子与其核之间的紧密程度，使原子变得更小或更大。目前，该值足够低，意味着电磁力足够弱，原子主要是空的。电子的轨道足够远，可以进行化学键合。如果这种力更强，那么这些化学反应可能不可能，或者至少所有的化学都会截然不同。另一方面，如果微结构常数更低，导致电磁力更弱，电子会进一步轨道，使原子和分子不稳定。估计如果常数在任一方向上改变4%，恒星就无法将碳原子融合在一起，从而使我们所知道的生命成为不可能。如果这种力变得更弱，那么融合根本就不可能，就不会有恒星。像我们宇宙中的许多事物一样，微结构常数似乎完美地调整以实现生命。

当然，这些讨论总是提到我们所知道的生命，而在一个完全不同的宇宙中可能会有完全不同类型的生命。但再次，物理学充满了各种常数，而使这一个如此特别有趣的是它是无量纲的。例如，光速通常被近似为每秒300,000公里，尽管有些人更喜欢使用每秒186,000米。如果你感觉特别固执，你甚至可以说TR以每场规定曲棍球比赛5.4百万furong的速度行驶。在这些情况下，这个数字本身是没有意义的，它只是我们用来定义它的测量单位的副产品。当你考虑到公里是国际上定义为光在1/300,000秒内行驶的距离时，它在定义中创造了这种奇怪的逻辑。这就是为什么微结构常数对物理学家如此迷人的无量纲特性。像π一样，它是一个纯粹的数字，简单地存在于自然中，而不需要通过任何形式的人类视角来定义。甚至有人争论说，137是向外星人广播的完美信息，以显示我们是一种智慧生命的形式。如果我们要给他们发送引力常数，我们还需要包括一个关于什么是米，秒和公斤的解释。但1/137为自己说话。它可能会以二进制形式传输，而不是基数10，但如果一个先进的外星文明收到这个数字作为我们的信息，他们会知道我们至少对量子物理有一些了解。

好的，我们已经谈论了微结构常数的价值有多么重要，以及如果稍微改变它可能会产生的灾难性后果。然而，它并不像我们迄今为止所说的那样恒定。实际上，它会随着相关能量尺度的增加而逐渐增加。在大爆炸时，当能量尺度非常高时，微结构常数的值会接近1。但由于宇宙试图达到最低的能量状态，这个值迅速下降。虽然目前还不知道为什么它没有直接下降到零，但常数似乎在能量接近零时趋近于1/137，这是好的，因为如果没有它，我们就不存在了。这个细节对于创建一个大统一的物理学理论非常重要，我们已经制作了一个关于这个话题的整个视频，如果你想要更深入的解释。但是已知在足够高的能量水平下，电磁力和弱核力作为一个单一的力量行动，微结构常数的可变性可以帮助解释这一点。事实上，关于宇宙的形成和物理的标准模型，有很多未解决的问题，可能会通过一个可变的常数来解决。这导致了微结构常数可能实际上在时间和空间中是可变的，而1/137的值只在我们宇宙的一个小部分中是真实的这一有争议的信仰。科学家们开始努力证明常数在时间和空间中可能是可变的，而不仅仅是在更高的水平上。这是通过对类星体的光谱分析来完成的，因为它们的亮度非常高，以及与我们自己的太阳几乎相同的恒星。结果令人震惊地不确定。太阳双胞胎的分析没有显示微结构常数的变化，但要从一个像我们自己的太阳这样不显著的恒星得到适当的读数，它需要相对较近。如果这个理论是常数随着时间的推移或在宇宙的不同部分而改变，那么从只有几百或几千光年远的恒星得到的读数不太可能显示出任何真正的差异。然而，来自类星体的结果要有趣得多，因为它们允许我们从更远的地方收集数据。

1999年，一个来自新南威尔士大学的团队声称通过分析来自100到120亿年前的恒星的光谱，发现了微结构常数的第一个变化。测量的结果比之前测量的值略低。这是一个微小的差异，但它确实存在。几年后，同一个团队再次尝试，但这次他们采取了相反的方向的测量。他们发现的常数在那个方向上略高。当然，这仍然不是确定的。这些变化足够小，它们可能是实验误差，信号噪声，或者甚至可能是由于气体云具有高度不寻常的同位素比率引起的。此外，这个团队发现他们正在寻找的不同的变化在不同的方向上，而其他团队在他们的微结构常数的测量中没有发现任何变化，这有点方便。这是方便的，但这并不意味着它是错误的。虽然主流观点是这个差异只是信号噪声，但这项研究尚未被适当地否定。

目前，我们还不知道微结构常数到底有多恒定，尽管如果它在时间和空间上是可变的，这可能会有重大的影响。所以单位测量是大多数常数的一个重要部分，因为它们为该常数所代表的关系提供了一个参考框架。光速是距离和时间之间的关系，普朗克常数是珠宝和时间之间的关系，引力常数是质量、距离和时间之间的关系。所以如果微结构常数是无量纲的，这个数字是什么关系呢？也许它是这些其他常数之间的关系，以及它们如何互相作用来创造我们周围的宇宙。或者它只是一个没有特定意义的任意数字。毕竟，使用各种常数很容易制作一个无量纲的公式，比如将氦原子的质量和氢原子的质量相除。但是，与其他这样的数字相比，微结构常数更有趣的是，它无处不在。它实际上是将宇宙粘在一起的胶水，因为没有电子磁力，你只会穿过其他物质，假设你身体中的分子首先被固定在一起。虽然我们理解常数作为一个我们可以在方程中使用的可测量的值的重要性，但最好不要继续在数字1/137中寻找特定的意义。这只是宇宙开始时选择的许多随机值之一，而这些随机值中的每一个都恰好是为生命的创造而完美的，这可能只是一个我们不应该太担心的巧合。