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物理学中的常数都是“常数”吗?宇宙常数的故
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摘要:引子:物理学的常数经常被视为永远不爱的定数,但随着时间的推移,常数依然能历久弥新吗?抑或是会出现些许变化?另外,爱因斯坦会了便宜行事,在广义相对论中大胆地加入宇宙
今(2019)年5月20日,国际单位制把各种基本单位,以普朗克常数h、光速c等物理常数取代传统原器。部分原因在于,各界普遍认为这些常数不会随环境、时间改变,比传统的公斤及公尺原器更加可靠,同时也反映量子力学之于普朗克常数及相对论之于光速的概念,足足影响了科学界一个世纪以上,这些常数也早就透过电子仪器进入人们的日常生活。
但是「常数」是怎么来的?它们的数值何如此?为何带有特别的单位?由伽利略(Galileo Galilei)的一句:「我们来做实验吧。」为开端,400多年来人们到底对这些常数有多少了解?
狄拉克的大数猜想1928年,知名的物理家狄拉克(Paul Dirac)了推广薛丁格方程式,写下描述电子在高速运动下的相对论方程式,后人称之狄拉克方程式(Dirac equation)。此开创性的方程式,不但让他在1933年和薛丁格(ErwinSchrodinger)一起分享诺贝尔的荣耀,更成20世纪量子场论的开路先锋,影响深远。
1937年,狄拉克对物理常数的单位感到非常好奇与困扰,因此希望理清常数单位的来源和背后隐藏的奥秘。狄拉克发现,只要把宇宙的年龄(t=4.3×10^17秒)乘以光速,再除以古典电子半径,可以得到一个没有单位的常数,而且庞大的数值大是10^40。
结果暗指这些与电子运动相关的物理常数,和宇宙的年似乎有着不可分割的关系,因此狄拉克大胆猜测,所有带有单位的「常数」都是时间的函数,会随着时间改变。此惊人的发现被称为狄拉克大数猜想(Dirac largenumbers hypothesis)。为什么会有这样的巧合和关系?一直是物理家非常好奇的大事。
物理已知的常数,多是来自各种已知实验测量的测量果,但科学家对半不清楚它们的来源和各种常数互相之间的关系。自从狄拉克写下大数猜想后,很多科学家在好奇心的驱使下,相继找出许多类似的关系式,并引发更多人对这些常数的各种幻想。
在宇宙学里,哈伯常数H和宇宙常数Λ较为大众所知,其中哈伯常数是哈伯(Edwin Hubble)测量遥远星系远离地球的速度和与地球的距变化略成正比,而此比例被称哈伯常数。随后的精准测量,不但确认宇宙正在膨胀,并且发现哈伯常数其实根本不是常数,而是一个会随时间而改变的变数。因此有的科学家改口称之哈伯参数,有的人却一时改不了口,仍旧称之哈伯常数。对此众多的发现似乎都在呼应狄拉克的猜想:已知的常根本不是常数,都会随时间改变。
有趣的是,到了20世纪末,科学家发现宇宙不但在膨胀,而且膨胀速度在大约50亿年前开始加速,科学家把加速膨胀的因素推给暗能量(dark energy),一种未知的暗黑能量,这种黑暗能量可以抵抗引力的作用,为宇宙提供负压。
爱因斯坦最美丽的错误科学家弄了半天发现这种暗黑的能量,最可能的祸首就是爱因斯坦在20世纪初的突发奇想。1920年代以前,科学家认整个宇宙就是河系这「一丁点」大,而且在人类有史以来的纪录中,完全看不出宇宙的恒星有大规模的移动,当时的主流认知是:宇宙是静态的,大小就是盘面直径大10万光年的银河系。
爱因斯坦在1915年,历尽千辛万苦终于写下了惊天地泣鬼神的广义相对论。1918年更通过了爱丁顿爵士(SirArthur Eddington)的日食光线弯曲考验,证明没有质量的光子也会受太阳的引力的影响而弯曲。但是宇宙天体看似静止不动,不会受引力吸引而崩塌的「事实」,爱因斯坦因找不到简单的答案。居然突发奇想,在他的方程式里加入了一个反重力常数,想以取巧的方式突围。
没想到弗里曼(Alexander Friedmann)先生居然很快就找到一组不需要宇宙常数的静态宇宙解,能轻轻松松解决静态宇宙和广义相对论的矛盾,让不知如何解释宇宙常数从何而来的爱因斯坦,感慨的表示:「宇宙常数是我一生中最大的错误」。
文章来源:《大学物理》 网址: http://www.dxwlzz.cn/zonghexinwen/2021/0708/716.html