为什么形成我们的宇宙的数字畢竟存在？

By Paul Sutter published 8 hours ago

Astrophysics

我们永远不能 100% 证明那些常数真的是常数。

When you purchase through links on our site, we may earn an affiliate commission. Here’s how it works.

按照爱因斯坦的广义相对论，一個星系的引力如何翹曲空时的描畫。  (Image credit: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)

有一组非常特殊的不能被解释的被称为自然的基本常数的数字。它们来自哪里？找出事實上如果它们是否恒定的是解开这个持久秘密的关键。

物理学是一個自然的数学描述。我们使用模型、方程式和公式来描述系统如何工作并预测它们在未来將如何行为。这种方法已經证明巨大的成功，解释从亚原子粒子的行为到整个宇宙的演化的一切。

但这些方程式有某些方面蔑視解释。任何時候我们尝试采用一個假设模型并将它与现实世界联系时我们不得不引入特殊数字。这些数字捕捉自然的一些留在我们方程式之外的方面。例如，如果我要预测一個抛出的球的运动，我不得不知道重力有多强。但没有理论解释为什么重力有它所具有的强度。我们只能独立的测量该值并将它代入方程式中。

几十年来，物理学家已經編輯了各种最重要的基本常数列表。一般的，有略多于二十幾個的它們。它们描述像自然的四种力的强度、基本粒子的质量以及空时的各个方面如光速。

我们沒有这些数字來自什麽地方和为什么它们有它們做的这些值的想法。一种來研究它们的方法是弄清楚是否它们實際的是恒定的。如果这些数字中的任何一个要麽在时间中要麽在整个空间中移动，那将是一个主要线索。常数中的变化会告诉我们它们不是真正的基本的，而是一個我们的更深层次的物理学理论的无知的反映。

例如，如果我關於重力如何工作一无所知，我仍然可以测量當物体靠近地球时的加速度。我可以为这个数字分配一个“基本”常数，并将它测量到每平方秒 9.8 米。我仍然可以用手里有的这个数字完美的预测抛球的轨迹。

但仔细观察会揭示这种加速度不是真的恒定的。它能依靠海拔高度甚至地球上的位置变化。这会告诉我有更深层次的东西正在发生——在这個案例中，有一种普遍的重力的力。

物理学家和天文学家已經尝试了各种实验来發現常数中的变化。最后，它需要巨大量的数据来寻找難以置信微小的偏移。科学家能要麽通过长时间检查一個系统要麽深入探究宇宙完成這個。无论哪种方式，我们能测试來看是否某个常数或另一个已經随时间变化。

例如，天文学家已經用了遥远类星体的测量，这是来自早期宇宙的難以置信明亮的无线电发射源。他们还已經研究了宇宙微波背景，這是當宇宙從一個数十亿年前热等离子体状态冷却了时发射的辐射。

由欧洲航天局的普朗克卫星创建的宇宙微波背景的全天空图像，显示來自宇宙的黎明遗留下来的大爆炸回声。(Image credit: ESA/ LFI & HFI Consortia)

如果像光速、引力的强度或甚至电子的质量这样的常数當囘到很久以前是不同的，那么我们应该能够看到在这些天文物体的外观中的细微变化。换句话说它们应该看起来比它們在一個常数真的恒定的宇宙中做的不同。

更接近到家，物理学家研究原子的振动例如那些用在原子钟中的來寻找与纯恒定性的偏差。然而，无论什麽除了纯粹的均匀性我们已經没有观測到任何暗示。这些是難以置信精确的测量。对许多常数我们已經将它們的恆定性定到一年中不超过十亿分之一。

RELATED STORIES:

— How do we know the fundamental constants are constant? We don't.

— What is the gravitational constant?

— The problems with modern physics

我们永远不能 100% 证明常数真的是常数。这是因为在我们的测量中总有一些不确定性，因此對一些可能的变化总有空间，即便它難以置信的微小。

但對現在，自然的基本常数出現是恆定的，我们不知道为什么它们有它们所具有的值。我们強的相信物理学中的发现故事没有结束，在宇宙的秘密中有遠更多要揭开的。但就在現在，我们不得不與就像它們出現是的基本常数一樣一起生活：蔑視解释的原始数字。