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137,是宇宙的终极规律吗?

(2009-09-23 14:32:49)
标签:

精细结构常数

泡利

1/137

宇宙之谜

文化

分类: 清溪随想
著名物理学家费曼曾说:这个数字自五十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之一,一个该死的谜:一个魔数来到我们身边,可是没人能理解它。你也许会说“上帝之手”写下了这个数字,而我们不知道他是怎样下的笔。

   137,是宇宙的终极规律吗?
图1:威尔金森各向异性微波探测器观测到的宇宙第一束光线--宇宙大爆炸的余辉

   这个数字就是137。1/137,是精细结构常数值。
   
   宇宙万物和地球生命实际上受到一些精确数字的控制,这些常数包括光速、一个电子电荷等。在众多数字中,精细结构常数无疑是最神秘的一个。它的含义是超快运动电荷与光线的耦合程度,或者说是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量。
   
   精细结构常数是物理学中一个重要的无量纲数,用希腊字母α表示,它与量子电动力学有着紧密的渊源。精细结构常数将电动力学中的电荷e、量子力学中的普郎克常数h、相对论中的光速c联系起来,定义为α=(e^2)/(2ε0*h*c),而其大小为什么约等于1/137至今尚未得到令人信服的回答。
137,是宇宙的终极规律吗?
图2:“恒星育儿室”全天空图片。WMAP小组第一次给出了宇宙最古老光线的详细光效图。红色表示温暖,蓝色表示寒冷。椭圆形图片是整个天空的投影,地球也可以看成椭圆形。图片中的微波光线来自宇宙大爆炸后的38万年

   英国曼彻斯特大学物理与天文学学院的Andre Geim教授说,“精细结构常数百分之几的改变就有可能让生命从未诞生,因为这可能阻止较轻元素通过核反应形成碳原子。没有碳原子就意味着没有生命。”

   这个数字有些非常奇怪和完美的特点。
   1 / 137 = 0.0072992700
   137这个素数,脾气有点怪,因为1/137在化成十进小数时,循环节只有8位(作为强烈对比,可以看到1/97的循环节长达96位)。
   更加令人注意的是1/137展成十进制小数时所表现出来的回文性质(palindromic property):
   729927是个货真价实的回文数,从左至右读过去同从右至左读过来完全一模一样。
   同号称“万物之灵”的人一样,回文其实是表现在语言、文字中的一种双侧对称(bilateral symmetry)现象,其中的微言大旨,颇有点耐人寻味了。

   著名的西方物理学家泡利,就是相信137蕴含着宇宙最基本的规律。犹太物理学家泡利(W.Pauli)出生于1900年,他被人们公认为“一代奇才”、世纪精英。

   泡利一生对量子物理学作出了重大贡献,他提出的“不相容原理”堪称微观物理学的金科玉律,而“中微子假说”也是非常基本、非常独特的创见。

   泡利为人不苟言笑,治学十分严谨。他批评起别人来不讲情面,不留余地,有时甚至要骂人“笨蛋”。然而泡利绝非学阀,作风也很光明磊落。他不大会处世,措辞也许不当,但动机很纯正,完全出于从严要求,一心为了学术研究。泡利由此而得了一个外号,叫做“上帝的鞭子”[3]。

   泡利对上上下下的各色人等都是一视同仁的,不仅对凡夫俗子,即便是至高无上的上帝耶和华,他也不肯卖帐。下面的一则脍炙人口的趣谈,足以略窥他的一贯作风。

   精细结构常数(fine structure constant)1/137出现于微观物理世界,先是在光谱理论中崭露头角,后来又在粒子理论中憧憧往来,它是一个没有量纲的纯数。泡利希望找到一种理论能自然而然地给出这个常数的值,可是他在有生之年却始终找不出什么线索,不免抱憾终身了。

   按照天主教、东正教或基督教的教义,虔信上帝的好人死后,灵魂可以进入天堂,那时上帝就会满足他的一切愿望。据说泡利到了天堂以后,上帝和颜悦色地问他,打算要点什么好东西?他说别的事情都不想,只想知道精细结构常数为什么等于1/137。上帝听了此话,就给他几张纸片,说道:“答案就在这上面。”岂知泡利看了纸片上书写的东西之后,居然操着德语打官腔:“Das ist Falsch!”(这是错的)好厉害的泡利,连上帝都得挨他的批评。怪不得人们听了这一半神话、一半寓言的幽默故事后,风趣地说:“泡利不光是上帝的鞭子,连上帝也吃了他一鞭子!”
137,是宇宙的终极规律吗?
 图3:宇航船在距地球100万公里的第二拉格朗日点轨道上运行,背景为太阳、地球和月亮。
    2003年,美国宇航局公布了探测器拍到的宇宙“婴儿期照片”,为宇宙大爆炸理论提供了新的依据。根据这些照片,科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是137亿年,误差不超过1%。

  据报道,这些珍贵的照片是美国宇航局科学家通过威尔金森各向异性微波探测器经过一年时间的观测获得的结果。照片中包含了许多令人震惊的信息,为支持宇宙大爆炸和宇宙膨胀理论提供了新的依据,同时为揭开暗能量之谜指引了道路。据有关人士估计,这项成果是近几年宇宙研究中最重大的发现之一。

文章及图片部分摘自:http://www.bjkp.gov.cn/kxbl/yzkj/k30425-01.htm

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