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理解宇宙?这些数就是钥匙

物理学中的那些常数

在你心目中,物理学规律是什么样子的呢?它们都是一些干巴巴的公式或方程,对吧,比如浮力定律、牛顿第二定律、万有引力定律、欧姆定律等等。在公式里,一些是代表物理量的符号,另一些则是不变的常数。比如万有引力定律F=(Gm1m2)/r2,其中m代表物体质量,r代表两物体之间的距离——这些都是可变的。但G却是不变的,叫万有引力常数。

整个物理学中有很多这样的常数,像光速,还有一旦涉及量子世界就少不了的普朗克常数,以及表征各种基本粒子质量和基本作用力强度的常数,等等。

但是,这些常数大多数都是有单位的,单位变,数值也跟着变。例如光速是300000千米/秒,但如果用英里每秒作单位的话,就是186000英里/秒。你的体重可以是120斤,也可以是60千克。单位一变,数值就跟着变,说明还“常”得不够彻底。对于这类常数,如果你只知道大小、不知道它的单位,就没有任何意义。

什么样的常数才算“常”得彻底呢?当然是那些跟单位无关的常数。比如几何上的圆周率π,跟单位是完全无关的。因为圆周率是从圆周长和直径之比得到的,圆周长和直径都是长度单位,一比,单位就消掉了,只剩下一个纯粹的数字。

我们的宇宙是由粒子、粒子间的相互作用和时空结构构成的,时空是一个不断变化的舞台,宇宙的演化就在这个舞台上徐徐展开,而粒子就是参与者。所以,要想理解宇宙,就必须要知道宇宙存在的初始条件和关于粒子的各种信息,这些信息指的就是描述所有相互作用强度和所有粒子物理性质的基本常数。

在粒子物理学的标准模型中,需要至少19个这样的常数,包括精细结构常数α、希格斯玻色子的质量等一系列表征基本粒子质量和相互作用强度的常数。

在标准的宇宙学模型中,需要9个常数,包括描述宇宙加速膨胀率的宇宙常数。

粒子的质量

我们目前发现的基本粒子一共有62种,分为12种轻子、36种夸克、4种玻色子、8种胶子、光子和引力子。其中,引力子还只是一个假设,并没有真正被探测到;光子和胶子的静止质量为0。在12种轻子中,一半是正粒子(比如电子),一半是反粒子(比如正电子),而正粒子和反粒子的质量相同,因此我们只需要6个代表轻子质量的常数。

与轻子类似,虽然夸克有36种,但我们只需要6个代表夸克质量的常数。玻色子又分为希格斯玻色子、Z玻色子、W+玻色子和W-玻色子,由于W+玻色子和W-玻色子的质量相同,我们仅需要3个代表玻色子质量的常数。这样算下来,一共是15个粒子质量常数。

耦合常数

耦合指的是两个事物之间存在的一种相互作用、相互影响的关系,而耦合常数就是粒子之间相互作用的强度。自然界有四种相互作用力:强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和万有引力。把质子和中子约束在原子核中需要强相互作用力,创造恒星和银河系需要万有引力,构造原子需要电磁相互作用力(电子围绕原子核旋转需要电磁力),而弱相互作用力也是研究宇宙所必不可少的,它造成了物质的衰变。因此,我们需要能描述这4种相互作用强度的常数。

其中,电磁相互作用的强度常常用精细结构常数来表示,它的数值约为1/137。别问我为什么是这个数,因为科学家们也没搞明白原因,他们还给这个数字起了个外号,叫做“上帝的数”。这个外号足以表明科学家们的困惑(这个常数如此重要,以至于我们在下文中要专门展开)。

万有引力是两个有质量物体间的吸引力,这个力的大小与它们质量的乘积、距离和万有引力常数有关。目前,万有引力常数为6.672×10-11N·m2/kg2,这个数值是测量的结果。

强相互作用的耦合常数约为1.214,这个数能够告诉我们,中子和质子间结合力的强度,以及原子分裂时,它可以释放多少的能量。弱相互作用力是由W及Z玻色子的交换引起的,不同的玻色子造成的强度也不同,因此弱相互作用力耦合常数有两个,不过,目前还没有特别精确的弱耦合常数测量值。

这样算来,耦合常数共有5个。

中微子振荡和夸克相互转换

中微子属于轻子,也是基本粒子,目前已知的中微子有三种,分别是t中微子、μ中微子和电子中微子,它们不带电,质量非常轻,可以轻松穿过人体、建筑、甚至地球。大多数粒子在物理变化和核反应过程中都伴有中微子的产生,比如:核反应堆发电、太阳发光、宇宙射线等。中微子只受万有引力和弱相互作用力的影响,由于中微子与其他物质的相互作用十分微弱,大约在100亿个中微子中才有一个会与物质发生反应,因此中微子的检测十分困难。

20世纪60年代,物理学家们在美国南达科他州的一个1500米深的矿井中,安置了一个装有近40万升四氯乙烯的储液罐。他们预计太阳发出的中微子会被氯37原子核内的中子吸收,使后者变成一个质子,并释放出一个电子,然后,氯37就变成了氩37。物理学家想办法数一数产生了多少氩37,就会知道这个装置吸收了多少中微子。

然而,科学家通过这个装置得到的太阳中微子流量仅为理论值的三分之一,这就是著名的太阳中微子问题。科学家们后来找到了问题的原因,原来太阳中微子(即电子中微子)会在来地球的途中偷偷“整容”,转换成其他两种中微子,而专门用来捕获太阳中微子的装置检测不到其他两种中微子,这个转换的现象被称为中微子振荡。物理学家们设计出了描述中微子振荡现象的公式,由于这个公式太过复杂,我们只需要知道,该公式需要4个常数,来推导出三种中微子之间的变换。

目前,我们已知的夸克有6种,这些夸克分为两类,其中上夸克、粲夸克、顶夸克为上型夸克,下夸克、奇异夸克、底夸克为下型夸克。与中微子振荡类似,夸克在弱相互作用下,上型夸克和下型夸克会互相转变,共有9种组合。例如,上夸克可以转变成下夸克、奇异夸克和底夸克。意大利物理学家卡比博和日本物理学家小林诚、益川敏英设计出了CKM矩阵(CKM为三人姓式首字母),来描述夸克之间的转变,CKM矩阵同样需要4个常数。

那么我们为什么需要上述的8个常数呢?

通常,我们认为宇宙是守恒的,即在任何反应的前后,一些特定的量是维持恒定不变的。例如,正电子和负电子的电量相等但电性相反,此时电荷总量为0,正负电子碰撞会湮灭,电荷总量仍为0。按理说,在产生宇宙的大爆炸发生后,物质和反物质(正常物质的反状态)在数量上应该是对等的。然而,实际情况却不这样,我们的宇宙被物质充斥,反物质却无处可寻,它们只出现于放射性衰变、粒子对撞或屈指可数的其他物理过程中。物质与反物质不对称的问题至今是宇宙的未解之谜,而中微子振荡和夸克混合也许能够解答这个问题,它们表明一种物质可以直接转换为另一种物质,不遵循守恒的定律,因此这两种物理现象十分重要,为了理解这两种转变,我们需要这些常数。

宇宙常数

天文学家们通过观察发现,所有星系之间的距离都在增加,宇宙正在膨胀。因为各星系之间存在引力,所以人们一度认为膨胀的速度会渐渐慢下来。然而在1998年,科学家们观测到星系的速度更快了,也就是说,宇宙不只在膨胀,还在加速膨胀。为了解释宇宙的这种现象,物理学家引入了一个全新的宇宙力量——暗能量。暗能量并不是真正的能量,因为能量是指具有引力效应的东西,比如:物质、反物质、暗物质,而暗能量正好相反,它具有斥力效应,这种斥力能够使整个宇宙都加速膨胀。

在爱因斯坦提出广义相对论的时候,物理学界普遍认为,宇宙是静态稳定的,既不膨胀也不收缩。因此,爱因斯坦在著名的引力场方程里,加上了一个宇宙常数,为了能够维持一个静态的宇宙。但是现代测量宇宙学之父埃德温·哈勃发现了宇宙膨胀,于是,爱因斯坦懊悔不已,将宇宙常数从引力场公式中删去了。然而,科学家们为了解释宇宙的膨胀,将宇宙常数又重新加入公式中,来代表宇宙膨胀的程度。

如果我们将物理学定律、宇宙的初始条件和这些常数给物理学家,他们就能够模拟出宇宙。但是宇宙中仍存在一些谜题,它是一个错综复杂和令人惊奇的地方,在现实中,我们对宇宙了解的越多,就越需要更多的参数来全面描述它。物理学的发展就在于不断提出新的概念,来修正理论假设和实际观测之间的出入,最终建立出一套可以自洽的数学模型。也许在未来,一些关于宇宙的物理学理论会发生变化,我们所需要的常数也会完全不同。


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