马克斯·博恩于1935年11月在南印度科学协会发表演讲时,他的生活充满了不确定性。1933年,纳粹党已经暂停了这位著名量子力学物理学家在哥廷根大学的职位。他曾被邀请到剑桥大学任教,但那是临时的。1935年夏天,党终止了他在哥廷根的任期。波恩接受了一份工作邀请,与C. V.拉曼和他的学生一起在班加罗尔的印度科学研究所工作了六个月。在那里,他发现他的家人已经失去了德国公民的权利。他没有国籍,也没有永久的家。然后,还有两个数字的不确定性。
在过去的四十年里,科学界已经接受了一系列发现和理论之后出现的两个数字。它们是不变的,没有单位。第一,精细结构常数,定义了基本粒子和光之间相互作用的强度。它表示为1/137。另一个是,把质子的质量和电子联系起来。
波恩提出了一个统一的理论,把自然界的一切基本力量联系起来。他还想要一个理论来解释这些常数从何而来。他说,这是“用来解释重的和轻的基本粒子的存在及其确定的质量商1840”的东西。
Born担心几个常量似乎有点奇怪。科学充满了恒量——一个定义了光速,另一个量化了重力的拉力,等等。我们经常使用这些数字,在参考书中翻到卷边的表格,然后不假思索地将它们编码到我们的软件中,因为它们是常量。但这些常数的奇怪之处在于,没有理论可以解释它们的存在。它们是普遍的,而且似乎是不变的。质子和电子的质量也是如此。但是一次又一次,他们是通过观察和实验来验证的,而不是通过理论。
博恩和其他许多人所追求的是一种统一的理论,它将证明对于一个常数只能有一个不变的值。如果没有这个理论,科学家们就会求助于测试常数的极限。测量常数是验证理论是否有意义、科学是否站在坚实的基础上的好方法。来自测量的误差可能是一个很大的问题。因此,与其验证质子和电子的质量,还不如测量它们的质量之比,一个没有单位负担的数字。
对统一理论的探索仍在继续。波恩的演讲两年后,他在剑桥的同事保罗·狄拉克在《自然》杂志上发表了一篇论文,他想知道如果我们研究宇宙的整个历史,这些常数是否真的是常数。地球上的测量是有用的,但它只是浩瀚宇宙中的一个小蓝点。狄拉克几十年前提出的问题,也是物理学家至今仍在提出的问题。它是宇宙中所有地方的常数吗?为什么它是常数?常数如何?即使几十年过去了,这个问题依然存在。弗里德里希·伦茨(Friedrich Lenz)在1951年《物理评论快报》(Physical Review Letters)的一篇论文中写道:“目前,质子与电子质量之比的最精确值是1836.12 +/-0.05。”值得注意的是,这个数字与6的平方=1836.12相吻合。这就是整篇论文。
对常数的质疑其实并不牵强:现有的理论并没有阻止常数具有不同的值。宇宙经历了三个主要阶段——大爆炸后不久最初的辐射主导阶段,一个漫长的物质主导阶段,然后是60亿年前开始的一个漫长的暗能量主导阶段。一种假设是,质量比可能只在相变中发生变化。质量比的实际值(1836.15267389)不如围绕其地位的不确定性更令人担忧,因为它是一个常数。科学家们在处理这个不确定的数字方面取得了令人难以置信的进展。
今年晚些时候,来自阿姆斯特丹自由大学的研究人员与来自阿姆斯特丹大学和墨尔本斯文本理工大学的合作者将在《现代物理学评论》季刊上发表他们的研究成果综述(这篇论文可以在arXiv上找到)。他们写道,质量比的变化小于0.0005%,不足以称之为变化。这是基于124亿年前的望远镜观测得出的结论,当时宇宙的年龄只有现在的10%。
结论既平凡又惊人。变化无处不在,我们毫不犹豫地认为它是我们身体的一部分。一个人类细胞可能在一天内经历一百万个DNA突变。夏天的绿叶变成秋天的橘色,然后在我们脚下噼啪作响,就像冬天的褐色,这一切都发生在一年之内。气体在数百万年的时间里聚集在一起,互相吸引,堆积成岩石,杏耀信任度就像我们被水浸透的地球绕着太阳公转一样。但在所有这些变化的背后,有一个数字将它们联系在一起,而且就我们在宇宙中所能看到的而言,这个数字一直保持不变。我们不知道为什么。mu就像科学福音,让宇宙存在。
宇宙的历史是测量恒定漂移的一个很好的沙盒。由于来自早期宇宙的光持续到达地球,射电望远镜是研究质量比的有效工具。在到达地球之前,远古的光与遥远星系和恒星中的气体相互作用。光到达地球时带有这些气体的指纹,这些气体吸收一定频率的光。当查看望远镜数据时,它在光谱中显示为缺失。通过将这个指纹与实验室对同一气体的测量进行比较,科学家可以推断出质量比的变化。
Vrije Universiteit小组是世界上少数几个研究质子-电子质量比超过十年的团队之一。他们与来自澳大利亚、法国、俄罗斯、瑞士和美国的科学家合作,英国美国、印度和菲律宾。他们探测了漂浮在数十亿年前太空中的氢、氨和甲醇的微小碎片。他们比较了来自智利北部寒冷、干燥的沙漠中的超大型望远镜,来自德国一个历史温泉小镇的100米射电望远镜,以及来自西班牙内华达山脉的30米射电望远镜的信号。他们甚至用哈勃太空望远镜观察白矮星,看看引力比地球大一万倍的环境是否会改变质量比。
和…没有什么结果。“无效结果”是他们论文中最常见的短语之一。这是好的。即使比率值有几个百分点的微小变化,也意味着一个不同的宇宙。更小的质量比可能意味着更弱的质子,更弱的对环绕原子核的电子的吸引力,导致不同种类的物质。
虽然这个世界对没有任何新东西可提供的研究不太友好,但一个无效的结果并不意味着这个问题可以得到解决。这就是维大研究团队的窘境,他们的研究让人觉得既徒劳又重要。物理学中没有任何理论可以解释常数质量比,它是科学的坚定导师。只是,“耸耸肩”。
当然,维大的研究团队并不孤单。早在1996年,俄罗斯Ioffe物理技术研究所的另一个小组就分析了来自外太空的光谱线,以测量质量比的变化。剑桥大学和史文朋理工大学的科学家们一直在寻找精细结构常数的漂移。但是VU组的质量比可能是最大的。十多年来,杏耀的安全这种专注产生了最全面、最引人入胜的作品之一。年复一年,在一代又一代的研究生和博士后身上,他们发表了一篇论文,从不同的角度温和地探讨这个问题——宇宙中一个更遥远的点,一个不同的引力环境,一个衡量老问题的新工具。
未来搜索的目标是在不同的环境中寻找更久远的过去。像欧洲超大望远镜这样的大型望远镜将有助于收集来自宇宙的微弱信号。尽管测量范围很广,
杏耀平台总代 ,但很多都是在很窄的一片天空中。通过拓宽视野,科学家可以探测宇宙其他部分的数据。
只要没有理论支持,对变化常数的实验研究就很可能继续下去。一串空结果和对常量可变性的小更改有助于堵塞漏洞。正如《现代物理学评论》的作者所写的那样,“即使是为漂移的基本常数设置边界的渐进改进也是值得追求的,因为这种努力对物理定律的本质具有重要意义:它是常数还是非常数?”“每一个宇宙的疑问都将被仔细审查,要么在未来的实验中被消除,要么作为下一个研究者的证据浮出水面。”