常数之谜,科学家是如何确定常数的?常数与宇宙的关系是什么?

2022年07月05日00:10:07 科学 1795

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哈勃常数、引力常数、普朗克常数、玻尔兹曼常数、光速、π、真空的介电常数、真空的磁导率电导率、电阻率、库仑常数,等等……常数家族的队伍还在不断扩大。任何学过基础科学的人都会遇到至少一个物理常数,比如光速或电子的质量。这是不可避免的。

科学家尤其是物理学家必须记住这些常数(至少非常熟悉),因为这可以让很多计算过程变得简单。但当你停下来思考这些常数,以及它们所描述宇宙的某方面的性质时,你会感到不可思议。这些庞大的数字并不仅仅是为了给我们带来计算上的不便。

我们知道很多常数的值,但是这些值是怎么来的呢?这些常数是科学家创造的,还是自然存在的?它们对物理学意味着什么?它们会改变吗?如果会,我们为什么称它们为“常数”?

这些常数意味着什么?

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哈勃常数告诉我们宇宙的膨胀及恒星离我们远去的速度,最终帮助我们计算宇宙的年龄。自埃德温·哈勃于1929年首次计算出它以来,已经过去了近100年,科学家们仍在争论它的实际价值。随着技术的每一次飞跃,以及每一台新的(更精密的)望远镜问世,哈勃常数都会“改变”。找到哈勃常数的精确值仍然是现代天文学最大的挑战之一。

引力常数有时也被称为牛顿常数,是牛顿万有引力定律中使用的比例常数,用G表示。无论是在地球上、火星上,还是在几千光年之外的某个遥远的行星上,引力常数的值都不会改变。

普朗克常数给出了粒子频率与其总能量之间的关系,这是物理学世界中的一个突破性发现,因为其中一个量是波的属性(频)),另一个是粒子的属性(能量)。因此,证明了物质的波粒二象性,并最终为量子物理学的发展铺平了道路。

我们可以通过常数所代表的东西(物理量)来定义单个常数,但我们能否给几个常数赋予一个整体的定义(含义)?也就是说,我们需要用我们指定的单位来定义宇宙的某些量,比如米、牛顿、光年和焦耳。

例如,引力常数的单位G是:

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当G乘以两个物体的质量,再除以它们之间距离的平方,就得到了力的单位,牛顿(N)。这正是我们需要的,因为我们想知道两个物体之间的引力:

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因此,常数的数值将取决于我们使用的单位系统。

那么这是否意味着常数是人类构造的?绝对不是!这个定义是关于常数的作用,而不是常数是什么。此外,它也不能定义所有的常数,因为也有无量纲的常数,比如著名的圆周率π。

圆周率是个无理数,并且是超越数,它出现在自然界的许多现象中。从DNA双螺旋结构,到扔石头时池塘的涟漪,到斑马条纹和豹斑图案,到著名的海森堡原理,到抗震建筑的结构,再到海浪的涨落——圆周率无处不在。它在宇宙运行的中心逐渐消失,并出现在最复杂的数学中。

它是一个常数,没有单位,我们不知道为什么会这样。

它们的值是如何确定的?

有一些常数的值存在争议,误差总会存在,这取决于我们现有设备的准确性和灵敏度。常数不是科学家创造的。它们存在于宇宙中,我们只是通过反复的实验和观察来测量它们。

还有一个问题更深入地探究了常数之谜。在1937年2月20日发表在《自然》杂志上的一篇论文中,著名物理学家保罗·狄拉克提出了一个至今仍令物理学家困惑不解的问题:如果我们纵观整个宇宙的历史,所有的常数真的都是常数吗?毕竟,我们所有的测量都是在地球上进行的。这里不变的东西在其他地方也是不变的吗?

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  • 保罗·狄拉克的论文

然后有证据表明“质子质量与电子质量的比值”是不变的。多年来,在来自多个国家的众多研究小组,探索了可观测宇宙中最遥远的角落,仅仅是为了确定质子与电子的质量比是否会改变。每一次,结果都是一样的。质量比保持不变。

常数是会变化的,比如哈勃常数(埃德温·哈勃测量的初始值是目前哈勃常数值的7倍多),但这是由于人为误差和设备精确性造成的。

我们无法解释为什么这些常数是这样的,它们是如何由自然决定的,以及它们是否能在数十亿年的时间里发生变化。我们只能测量已经存在的东西。

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