常數之謎,科學家是如何確定常數的?常數與宇宙的關係是什麼?

2022年07月05日00:10:07 科學 1795

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哈勃常數、引力常數、普朗克常數、玻爾茲曼常數、光速、π、真空的介電常數、真空的磁導率電導率、電阻率、庫侖常數,等等……常數家族的隊伍還在不斷擴大。任何學過基礎科學的人都會遇到至少一個物理常數,比如光速或電子的質量。這是不可避免的。

科學家尤其是物理學家必須記住這些常數(至少非常熟悉),因為這可以讓很多計算過程變得簡單。但當你停下來思考這些常數,以及它們所描述宇宙的某方面的性質時,你會感到不可思議。這些龐大的數字並不僅僅是為了給我們帶來計算上的不便。

我們知道很多常數的值,但是這些值是怎麼來的呢?這些常數是科學家創造的,還是自然存在的?它們對物理學意味着什麼?它們會改變嗎?如果會,我們為什麼稱它們為「常數」?

這些常數意味着什麼?

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哈勃常數告訴我們宇宙的膨脹及恆星離我們遠去的速度,最終幫助我們計算宇宙的年齡。自埃德溫·哈勃於1929年首次計算出它以來,已經過去了近100年,科學家們仍在爭論它的實際價值。隨着技術的每一次飛躍,以及每一台新的(更精密的)望遠鏡問世,哈勃常數都會「改變」。找到哈勃常數的精確值仍然是現代天文學最大的挑戰之一。

引力常數有時也被稱為牛頓常數,是牛頓萬有引力定律中使用的比例常數,用G表示。無論是在地球上、火星上,還是在幾千光年之外的某個遙遠的行星上,引力常數的值都不會改變。

普朗克常數給出了粒子頻率與其總能量之間的關係,這是物理學世界中的一個突破性發現,因為其中一個量是波的屬性(頻)),另一個是粒子的屬性(能量)。因此,證明了物質的波粒二象性,並最終為量子物理學的發展鋪平了道路。

我們可以通過常數所代表的東西(物理量)來定義單個常數,但我們能否給幾個常數賦予一個整體的定義(含義)?也就是說,我們需要用我們指定的單位來定義宇宙的某些量,比如米、牛頓、光年和焦耳。

例如,引力常數的單位G是:

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當G乘以兩個物體的質量,再除以它們之間距離的平方,就得到了力的單位,牛頓(N)。這正是我們需要的,因為我們想知道兩個物體之間的引力:

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因此,常數的數值將取決於我們使用的單位系統。

那麼這是否意味着常數是人類構造的?絕對不是!這個定義是關於常數的作用,而不是常數是什麼。此外,它也不能定義所有的常數,因為也有無量綱的常數,比如著名的圓周率π。

圓周率是個無理數,並且是超越數,它出現在自然界的許多現象中。從DNA雙螺旋結構,到扔石頭時池塘的漣漪,到斑馬條紋和豹斑圖案,到著名的海森堡原理,到抗震建築的結構,再到海浪的漲落——圓周率無處不在。它在宇宙運行的中心逐漸消失,並出現在最複雜的數學中。

它是一個常數,沒有單位,我們不知道為什麼會這樣。

它們的值是如何確定的?

有一些常數的值存在爭議,誤差總會存在,這取決於我們現有設備的準確性和靈敏度。常數不是科學家創造的。它們存在於宇宙中,我們只是通過反覆的實驗和觀察來測量它們。

還有一個問題更深入地探究了常數之謎。在1937年2月20日發表在《自然》雜誌上的一篇論文中,著名物理學家保羅·狄拉克提出了一個至今仍令物理學家困惑不解的問題:如果我們縱觀整個宇宙的歷史,所有的常數真的都是常數嗎?畢竟,我們所有的測量都是在地球上進行的。這裡不變的東西在其他地方也是不變的嗎?

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  • 保羅·狄拉克的論文

然後有證據表明「質子質量與電子質量的比值」是不變的。多年來,在來自多個國家的眾多研究小組,探索了可觀測宇宙中最遙遠的角落,僅僅是為了確定質子與電子的質量比是否會改變。每一次,結果都是一樣的。質量比保持不變。

常數是會變化的,比如哈勃常數(埃德溫·哈勃測量的初始值是目前哈勃常數值的7倍多),但這是由於人為誤差和設備精確性造成的。

我們無法解釋為什麼這些常數是這樣的,它們是如何由自然決定的,以及它們是否能在數十億年的時間裏發生變化。我們只能測量已經存在的東西。

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