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这个结果的准确度达到万亿分之81,相当于测量出地球到月球的距离,误差不到一根头发丝。正因为如此夸张的精密程度,精细结构常数已经成为人类历史上测量最精确的物理学常数之一。
有些“遗憾”的是,这个结果同时表明,精细结构的倒数是137也许只是一个美妙的巧合,而非宇宙对于137这个整数有所偏爱。
精细结构常数的历史测量数据的汇总与对比。图中红色数据点代表基于电子反常磁矩的测量结果,蓝色与绿色数据点代表基于原子反冲的测量结果。最下方蓝色数据点为目前最精确的测量结果。(图片来源:Morel et al., Nature 2020)
为什么物理学家要追求对精细结构常数的精确测量?因为它在基础物理的各个领域中随处可见。作为描述电磁相互作用强度的耦合常数,精细结构常数是检验诸多物理学理论正确性的关键。
还有一个更重要的问题是,精细结构常数真的是“常数”吗?它在宇宙的演化过程中,或在不同的时空位置,是否会发生变化?万一它是变化的,那么现代物理学大厦将会崩塌。
一种检验方法是将目光放到深邃的太空中。宇宙中遥远的类星体发出的光穿过弥漫在宇宙中的气体云后,一些频率的光被气体云吸收。我们在地球上测量类星体光谱中的吸收线,就可以得到几十亿到上百亿年前精细结构常数的信息。
澳大利亚的研究团队通过对类星体光谱的研究指出,至少目前来看,在实验误差范围内精细结构常数没有随时间发生变化。
在地球上接收类星体的光谱可以测量精细结构常数。(图片来源:ESO)
科学家对精细结构常数的测量一定会持续下去,或许新的测量结果就会成为基础物理学下一场重大革命的起点。无论如何,实验是我们揭开谜底的唯一途径。
作为普通人,我们应当庆幸精细结构常数恰巧是现在这个大小,庆幸它的倒数恰好接近137——正是这个数值,使得电磁相互作用维持在一个合适的强度,使得原子和分子可以稳定存在,使得我们的宇宙和地球得以稳定运行,使得作为读者的你能够读到这篇文章。
作者简介
覃拈,武汉大学物理学博士。矩阵星,科普作者。

