我们怎样知道基本常数是常数？我们不知道

By Paul Sutter

2022/12/29

Science & Astronomy

通过在地球上和整个宇宙的各种测试，对任何自然的基本常数物理学家在时间或空间中已经测量了没有变化。

这张图显示天文学家用来计算宇宙随时间多快膨胀的三个基本步骤，一个叫哈勃常数的值。所有的步骤都涉及建立一个强的“宇宙距离阶梯”，通过从测量到附近星系的精确距离开始，然后移向越来越远的星系。这个梯子是对一系列有一个内在的研究人员能用来计算距离的亮度的不同种类天体的测量。(Image credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI))
通过在地球上和整个宇宙的各种测试，对任何自然的基本常数物理学家已经没有测量到在时间中或空间中任何变化。
所有的现代物理学都建立在两个主要支柱上。一个是爱因斯坦的广义相对论，这我们用来解释引力。另一个是标准模型，这我们用来描述自然的其他三种力：电磁力、强核力和弱核力。挥舞这些理论，物理学家能解释整个宇宙中广袤的大片相互作用。
但这些理论确实没有完全解释它们自己。方程中出现的是基本常数，这些常数是我们必须独立的测量并手动插入的数字。只有这些数字到位我们才能用这些理论来做出新的预测。广义相对论仅取决于两个常数：引力的强度（通常称为G）和宇宙学常数（通常用Λ表示），它测量空时的真空中的能量。
标准模型需要 19 个常数来插入这些方程。这些包括诸如九个费米子的质量（如电子和上夸克）参数、核力的强度以及控制希格斯玻色子怎样与其他粒子相互作用的常数。因为标准模型不能自动的预测中微子的质量，要包括它们的所有动力学我们不得不再添加七个常数。
这是28个完全决定已知宇宙的所有物理学的数字。
不是如此常数的
许多物理学家争论有所有这些常数似乎有点人为的。我们作为科学家的工作是用尽可能少的就像我们能扔掉的起始假设来解释尽可能多的变化的现象。然而，物理学家相信广义相对论和标准模型并不是这个故事的结局，特别是因为这两个理论与彼此不兼容。他们怀疑有一些更深层次、更基本的理论将统一这两个分支。
这个更基本的理论可以有任何数量的基本常数与之相关。它可能有我们今天看到的相同的28个的集合。它可以有它自己的独立的常数，其中28个常数作为一些支撑物理学的动态表达式出现。它甚至可以毕竟没有常数，基本理论能够完整地解释它自己而不必手动添加任何东西。
无论如何，如果我们的基本常数不是真正的常数------如果它们碰巧跨时间或空间变化-------那么这将是一个超出我们目前知道的物理学的标志。通过测量这些变化，我们可以得到一些至于一个更基本理论的线索。
物理学家已经设计了许多实验来测试这些常数的恒定性。
测试常数
一项测试涉及超精密原子钟。一个原子钟的运行取决于电磁相互作用的强度、电子的质量和质子的自旋。比较在不同位置的时钟或长时间观察相同的时钟能揭示是否这些常数中的任何一个变化。
另一个巧妙的试验涉及加蓬的奥克洛铀矿。20亿年前，该遗址起过一个天然核反应堆的作用，运行了几百万年。如果回到那时任何基本常数是不同的，存活至今的放射性过程的产物将与预期的不同。
观察更大的尺度，天文学家已经研究了由类星体发出的光，类星体是被距离我们数十亿光年远的黑洞提供动力的超亮天体。来自这些类星体的光不得不旅行那么远的距离来到达我们，它们穿过无数的吸收了一些光的气体云。如果整个宇宙的基本常数是不同的，那么这种吸收会被改变，一个方向中的类星体会看起来与其他方向中的类星体细微的不同。
RELATED STORIES
—'Standard model' of cosmology called into question by new measurements
—Stronger gravity in the early universe may solve a cosmological conundrum
—What lies beyond the Standard Model?
在非常最大的尺度上，物理学家能用大爆炸本身作为一个实验室。他们能用我们的核物理学知识来预测大爆炸的第一个十几分钟内产生的氢和氦的丰度。他们能用等离子体物理学来预测当我们的宇宙在它38万岁老时从一个等离子体冷却为一个中性气体时发射出的光的属性。如果基本常数很久以前是不同的，那么它就会表现为理论和观察之间的不匹配。
在这些实验中和更多的，从来没有人观察到基本常数中的任何变化。我们不能完全排除它，但我们能在它们可能的变化上放上难以置信严格的限制。例如，我们知道测量电磁相互作用强度的精细结构常数在整个宇宙中是相同的，达到每十亿分之一。
虽然物理学家继续寻找一种新的理论来取代标准模型和广义相对论，但似乎我们知道和喜爱的常数将呆在这里。