物理学中,我们常说“常量”,指的是在任何测量中都保持不变的数值。它们是构成我们宇宙基本框架的基石。但如果我们剥开“常量”这个词的表象,深入探究它们背后隐藏的含义,你会发现,有些常量,在它们的“不变”背后,却透露出一种让人费解的、甚至是“不讲道理”的特质。
我们先从最广为人知的说起:光速 (c)。
在狭义相对论中,光速是宇宙的速度上限,没有任何信息或能量可以超过它。听起来很公平,是吧?但问题在于,它为什么是这个数值?根据我们的测量,光速大约是每秒 299,792,458 米。这个数字本身,并没有内在的物理意义,它不是通过某个简单的数学推导得出的。它就像宇宙给你设定的一个“最高限速”,而我们至今无法回答,“为什么是这个数字?”
更令人不解的是,光速似乎是我们宇宙中一个“固定”的标尺。它不仅是光穿过真空的速度,它还是定义长度单位“米”的关键。一米被定义为“光在真空中于 1/299,792,458 秒的时间间隔内所传播的距离”。这就像说,“我告诉你一米有多长,是因为光在一秒的某个小数位数里跑了这么远”。我们用光速来定义长度,但光速本身又是怎么来的?这形成了一个循环,一个我们无法绕开的宇宙“规定”。
你想想,如果宇宙把光速设成每秒 100 米,或者每秒 1,000,000,000 米,我们的宇宙会是什么样子?恒星的亮度、原子的稳定性、引力的作用方式,都可能截然不同。而我们就是生活在光速是 299,792,458 米/秒的这个宇宙里,这个数字,就像一个被写死在宇宙源代码里的参数,我们只能接受,却无从解释其起源。
再来看看普朗克常数 (h)。
这是量子力学中最核心的常量之一,它将能量与频率联系起来,即 E = hf。普朗克常数是量子世界里“最小的动作单位”,它告诉我们,能量的传递不是连续的,而是以一份一份的“量子”形式进行的。
普朗克常数的值也非常小,大约是 6.626 x 10⁻³⁴ 焦耳·秒。这个数值的“小”本身就充满了神秘感。它的大小决定了量子效应在宏观世界里为什么不明显。如果普朗克常数大得多,那么我们周围的物体,比如桌子,都可能表现出明显的量子波动性,我们甚至可能看到它们“叠加”在多个位置。
更“不讲道理”的是,普朗克常数似乎是量子世界的“最低价”。你无法把能量分割得比 h 还要小。它就像一个交易的“最小单位”,无论是能量的发射、吸收,还是粒子的动量和位置,都受到了这个最小单位的限制。
这个常数,是马克斯·普朗克在研究黑体辐射时,为了解决理论上的矛盾而“被迫”引入的。他当时也不知道为什么能量会以这种离散的方式传递,这完全违背了经典的连续性观念。它就像在混乱的量子数据流中,突然出现了一个“分隔符”,规定了能量的最小“份量”。这个数值,为什么会是这个精确的、微小到难以想象的数字?它又为什么恰好是这个数值,才使得我们现在的原子得以稳定,生命得以存在?
最后,我们不得不提精细结构常数 (α)。
这个无量纲的常量,大约是 1/137.036。它的“无量纲”特性让它显得更加神秘。它是由几个基本常量组合而成的:普朗克常数 (h)、光速 (c)、基本电荷 (e) 以及真空介电常数 (ε₀)。具体来说,α = e² / (4πε₀ħc),其中 ħ = h/(2π)。
精细结构常数在量子电动力学 (QED) 中扮演着至关重要的角色,它描述了电荷之间的相互作用强度。它的值决定了原子光谱线的精细分裂,也决定了原子核外电子的轨道稳定性。
这个常数的“不讲道理”之处在于它的数值似乎是任意的,但却又极其精确地调节着宇宙的性质。如果精细结构常数稍有不同,宇宙的面貌将完全改变。
如果 α 稍大一点:电子和质子之间的吸引力会增强。原子核更容易结合,氢原子可能不稳定,原子轨道会更紧密。这可能会导致恒星过早地耗尽燃料,或者恒星内部的聚变反应会变得非常剧烈,宇宙可能无法形成稳定的恒星,更不用说复杂的化学元素了。
如果 α 稍小一点:电子和质子之间的吸引力会减弱。原子轨道会变得松散,化学键可能会更弱,甚至可能无法形成稳定的分子。生命所需的复杂有机分子可能无法存在。
有人曾说过,1/137 是物理学中最接近“神秘数字”的常数,许多物理学家一生都在试图理解它为什么会是这个值。它就像一个“拨号盘”,宇宙把这个拨号盘拧到了 1/137.036 这个精确的位置,恰好允许了我们所知的化学和生命现象的发生。
这些常量,光速、普朗克常数、精细结构常数,它们就像是宇宙写下的“游戏规则”,我们只能遵守,却无法窥探到规则背后的“设计者”是谁,或者为什么是这样的规则。它们的不变,不是因为某种我们可以理解的因果逻辑,而是因为它们似乎就是宇宙“本来就如此”的设定。这种“本来就如此”的设定,在科学探索的深处,总是会引发一种莫名的敬畏,以及一种对终极答案的渴望。我们每天都在与这些“不讲道理”的常量打交道,它们塑造了我们所看到的一切,却依旧是物理学中最深邃的谜团。