## 一个常数的谜团

最近有个大新闻，说澳大利亚科学家发现一个物理常数 —— 叫做“精细结构常数” —— 有变化，说明宇宙可能不是“各向同性”的，引起了咱们专栏读者很大的兴趣。这一讲我们说说这个发现。

这个发现的意义到底是什么，现在谁也没法说清楚。但我认为这件事儿、这个发现的过程，对我们很有意义。这是一个一波三折的故事，你可以从中体验一下科学探索的乐趣。它还意味着我们这个宇宙真的是……总爱给人惊喜。

咱们先别管新闻，从头说起。

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故事的主人公叫约翰·韦伯（John Webb），是澳大利亚新南威尔士大学的物理教授，也许你应该记住这个名字，他是一个战士。

我先说一下什么是精细结构常数。这是一个物理常数，一般用 α 表示，

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一般我们近似地说 α 是 1/137。这是一个没有单位的纯数字，也就是说你不管用什么单位传统谈论物理学，它都是这个值。之所以叫“精细结构常数”是因为物理学家最早是在研究原子光谱的精细结构的时候用到了它。从这个公式看来， α 跟电荷（e）、普朗克常数（h）和光速（c）都有关系，可以说是几个常数的交叉点。如果 α 能变，那就意味着这几个基本物理量有可能会变，所以它非常重要。

我们讲量子力学的时候说过，量子电动力学描写了原子核以外、不算引力的所有的物理现象 —— α 正是量子电动力学的一个关键常数。但是没人知道 α 为什么是这个数值。它是你写好方程之后，再给方程手动输入的参数 —— 只有这个值符合实验结果，但是我们不知道这个值有什么更深的缘由。泡利临死前最后的愿望就是想知道为什么 α 是这个值。

代表物理学对世界最新理解的“标准模型”中有二十多个像 α 一样的常数，没人知道它们为什么取这样的值 —— 设计师丢下这些数字就走了，没有任何解释。而且这些参数还不能随便动，动多了可能这个宇宙就不会有生命存在 [1]。

带电粒子的相互作用、原子核衰变的过程，都跟 α 有关系。有计算表明，如果 α 的数值比现在这个数值大 4%，世界上就不会有稳定的碳元素存在 —— 而我们的身体需要碳，所以我们也就不存在了。

所以 α 这个数值很重要。事实上狄拉克在创立量子电动力学理论的时候就曾经想过， α 的数值有没有可能会变呢？当时没人当回事。人们都相信物理常数是不会变的。

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而 1999 年，约翰·韦伯发现 α 的数值似乎是会变的 [2]。韦伯的数据是夏威夷的一个天文望远镜观测到 120 亿光年之外的一个“类星体”发出的星光。所谓类星体，说白了就是一个超大质量黑洞，它周围的气体向它掉落的过程中因为加速运动而发光，我们能看到这个光。

宇宙是非常空旷的，这个星光就这样走过遥远的距离，走了 120 亿年，到达了地球。而物理学家可以知道这个星光在路上经历了什么！本来星光是一束连续的光谱，它在路上如果遇到某种尘埃组成的气体，那个尘埃的原子会吸收掉一部分光。而因为每种原子吸收的频率都是固定的，表现出来就是星光的光谱上多了几条黑色的谱线 ——

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所有原子的吸收光谱我们都知道。所以物理学家一看这些吸收谱线的位置，就知道这个光曾经路过过什么样的气体 —— 而做这个计算就要用到精细结构常数。

韦伯和他的研究团队计算得出，这束星光曾经遭遇过镁原子和铁原子的尘埃气体。但是有一个问题。吸收谱线的位置，跟我们在地球上看到的寻常的镁原子和铁原子的吸收谱线的位置，有小小的偏差 [3]。

这个偏差说明星光被吸收时候的精细结构常数，比如我们在地球上的 α，小了那么一点点。小了多少呢？一百万分之一。

韦伯据此宣称，也许120 亿年前的 α 比现在小。韦伯这个发现并没有引起足够的震动，因为大家都觉得他可能算错了。物理学的一切测量都是有误差的， α 比现在小一百万分之一？你的测量精度够一百万分之一吗？韦伯认为他的精度是足够高的，但是正如卡尔·萨根说的，“超出寻常的论断需要超出寻常的证据”，你这一个证据实在是不足以让人信服。

韦伯需要更多证据。

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你没法在地球上做实验证明 α 会不会随时间变化，120 亿年才差那么一点点，我们不可能坐在这里等着测。但是地球上还真有“老东西”可以让你测量。

1970 年有人发现地球历史上 —— 确切地说是 20 亿年前，曾经存在过一些天然的核反应堆。核反应需要铀 235，现在自然界的铀 235 都已经衰变得差不多了，但是 20 亿年前，地球上的铀 235 的密度还比较高，以至于可以发生天然核反应。而从当年那些天然核反应堆带来的放射性现象的情况，物理学家可以估算那时候的 α 值。

这件事甚至惊动了我们专栏熟悉的弗里曼·戴森 —— 顺便说一句，戴森先生最近去世了，享年 96 岁。但是戴森失望了，因为测量的结果是 α 值几乎没什么变化。

不过后来又有人做了更精确的测量，认为 20 亿年前的 α 值，跟今天大概有“十亿分之 45 ”的差异 [2]。这真是微不足道的一点点，但是！请注意，这个测量结果是 α 值比今天*大*了这么一点点。

对韦伯来说，如果这个数字可信，就有点尴尬了。你测的是以前的 α 值比现在小，可人家测的是比现在大。那在我们旁观者看来，最合理的解释就是你们测出来的都是误差。

但韦伯没有放弃。也许 α 值就是可以变来变去！

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我刚才说你没法直接在地球上等着 α 值的变化，因为你等不了 120 亿年 —— 这个话其实说错了。进入 21 世纪，物理学家测量光谱的手段已经到了无比精确的程度。如果 α 值真的能在 120 亿年变化百万分之一，如果这个变化是均匀的，那它的那个变化率，在几年，甚至几个月之内的影响，我们现在都可以测出来。

而测量结果是 α 值现在没有变化。就算有，也绝对不是 120 亿年能变大一百万分之一那么大的变化速度。

当然韦伯仍然不会气馁。他完全可以说，也许以前变过，现在又不变了。

2011年，韦伯团队证明了自己不是在开玩笑。他们用智利的一个天文望远镜观测了另一个类星体的星光，又发现了吸收谱线的不一致之处。而这一次，韦伯推算出来，以前的 α 值比现在要*大* [4]。

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好，咱们现在捋一捋，截止到 2011 年，我们知道 α 值 ——

*夏威夷的望远镜发现以前比现在小；

*智利的望远镜发现以前比现在大；

*地球天然反应堆的测量发现以前要么比现在大，要么跟现在一样；

*地球精确谱线测量说现在 α 值不再变化了；

请问你能从中得出什么结论呢？韦伯得出了一个洞见。

韦伯说， α 值其实并不是在随着时间变化，而是在随着方向变化！我们从类星体的星光上看到的 α，既是过去的，也是远方的 —— 你以为那是因为在过去，其实那是因为在远方！

为什么夏威夷和智利的观测结果相反？因为夏威夷在北半球，智利在南半球！我们知道南北半球的星空是完全不同的，两个望远镜看到的是宇宙中两个相反的方向！也许 α 值在宇宙的各个方向是不一样的，也许宇宙不是各向同性的！

这就引出了最近的新闻 [5]。

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2020 年四月，韦伯团队发表了一篇新论文 [6]，一次列出了四个新的 α 值观测结果，其中有的比标准值大，有的比标准值小，有的距离我们远有的距离我们近。然后他们把这四个值和此前其他团队观测的 319 个结果进行了比较 —— 其他团队有些观测的 α 值跟标准值也有相当的偏差。把所有结果放在一起，韦伯团队的结论是， α 值在宇宙空间中似乎有一个与方向有关的变化。

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所以现在基本结论是 ——

第一， α 值极其有可能是可变的；

第二，这个变化是往大了变还是往小了变，与时间无关，与到我们这里的距离远近无关；

第三，很可能与宇宙空间的方向有关。

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怎么理解这个发现呢？

首先我们必须注意，这一切仍然主要是韦伯团队在鼓吹，整个物理学界仍然是观望的态度。毕竟现有的数据仍然非常杂乱，效应实在太微小了。

但是，如果前面说的那些“可能”都是真的，这个事儿可就大了。这是对物理学基本观念的改写，韦伯绝对应该拿个诺贝尔奖。

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光速不变是相对论的基石，普朗克常数是量子力学的基石，难道电荷是可变的吗？难道说电荷不应该是一个数字，而是一个矩阵？不论如何，基础物理学都必须改写。

不过物理学家对此早有思想准备。以前就多次有人提出也许物理常数是可变的，2006 年还有人测量发现 120 亿年前的质子/电子质量之比，比现在可能大了 0.002% [2]。如果这些都是真的，引力之外的几个基本相互作用就都得重新理解了。

不过请注意，参数可以变，也不是说物理定律就失效了 —— 也许我们只是把物理定律想得太简单，用一个数字代表了一个复杂的物理机制而已。也许更深层的定律可以把那些看似从天而降的数字都给算出来 —— 而这正是理论物理学家早就想要的。

宇宙有可能不是各向同性的，则是更大的思想冲击。我们经常说宇宙没有中心，到处都大致是一样的，因为物理定律没有方向，所以才有角动量守恒。而宇宙微波背景辐射的测量也的确表明宇宙各处真的相当均匀。不过正如报道所说 [5]，美国的一个团队通过观测 X 射线，似乎也发现宇宙有方向性，而且似乎跟韦伯的观测相符合。

我的看法仍然是这一切都可能是偶然的统计噪音。但如果宇宙中真的存在特殊的方向，那只能说我们仍然非常不了解这个宇宙。

### 💡 精华要点
- 精细物理常数 α 跟电荷（e）、普朗克常数（h）和光速（c）都有关系，可以说是几个常数的交叉点。如果 α 能变，那就意味着这几个基本物理量有可能会变，所以它非常重要。
- α 值其实并不是在随着时间变化，而是在随着方向变化。
- 宇宙有可能不是各向同性的，则是更大的思想冲击。

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