一個神秘的數字——精細結構常數（0.00729735）決定了物理、化學以及生物學的運作機制。但一系列尚存爭議的實驗卻暗示，它可能不是一個永恆不變的數字，而是隨著它在宇宙中的位置發生顯著的變化。如果成立，這將改變我們對物理學的理解。這個“無法理解的神奇數字”，究竟藏著怎樣的秘密？
在《銀河系漫遊指南》中，英國作家道格拉斯·亞當斯（Douglas Adams）虛構了一個生命、宇宙與世間萬物的終極答案——42。雖然人們不斷嘗試賦予它特殊的含義，但從本質上說，這只是一個存在於科幻中的“答案”。不過，在現實世界中，卻有一個數字蘊含了許多秘密，乃至萬物的終極答案。它就是：1/137。
這個恆定的數值決定了恆星如何燃燒、化學反應如何進行，甚至原子能否存在。物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）稱這個“無法理解的神奇數字”是“物理學最大的謎團之一”。
現在，這個數字正變得愈發神秘。尚存爭議的證據表明，這個數字可能不是我們先前設想的普適常數，而是會隨時間和空間發生微妙變化。 若這個說法得到確認，將深刻影響我們對物理學的理解，迫使我們重新思考構建有關現實結構的基本假設。目前對這一發現真正意義的爭論仍十分激烈，實驗室中正在開展深入研究宇宙和實際細粒結構的實驗，這或許能為這些爭論作出明確的裁決。
並非常數？
認為自然常數（如光速、基本相互作用力、基本粒子質量等）不恆定的觀點有著悠久的歷史。1937年，物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）寫信給《自然》（Nature）雜誌，質疑天文學家阿瑟·埃丁頓（Arthur Eddington）試圖從頭開始計算這些自然常數的嘗試。我們怎麼確定這些常數沒有隨時間改變過呢？
精細結構常數（α）就是一個很好的例子。對精細結構常數的研究首先由狄拉克發起，之後在費曼的量子電動力學（QED）理論中得到發展。量子電動力學是電磁力的量子理論，描述了光與物質之間的相互作用。精細結構常數決定了光與物質相互作用力的強弱，它由光速、電子電荷、圓周率π（絕大多數物理理論都包含圓周率）及其他幾個基本常數構成。這些物理量被精心排布，將精細結構常數定義成一個不含單位的純數字。
α的值是0.00729735，非常接近1/137。即使是略微改變這個數字，也會徹底改變整個宇宙。如果α的值太大，則質子間的排斥力增加，小質量原子核將不能結合在一起，進而恆星內的核聚變將停止，無法產生生命所依賴的碳元素；如果α的值太小，則分子鍵將在較低溫度下斷裂，這將改變許多重要的生命演化進程。
至少在地球上，精細結構常數α處在一個嚴格的界限內。實驗室試驗表明，在我們所處的地方，α最多隻能發生不到十億分之一的變化。這意味著α比引力常數G要精確十萬倍。
但正如狄拉克所提議的那樣，電磁相互作用力在過去可能更強或更弱，或者在宇宙深處有所不同。如果成立，這將對於揭開現實更深層的真相具有重要意義。法國艾克斯-馬賽大學的卡洛·羅韋利（Carlo Rovelli）說：“我們有一套基本方程式。它已有半個世紀的歷史，並且從未和任何測量結果發生衝突。如果我們發現一個與其預測不符的測量結果，那將是個大事件，意味著我們終於等來了新東西。”意大利的裡雅斯特天文臺的保羅·莫拉羅（Paolo Molaro）對此表示贊同。他說：“如果這些常數變化真實存在，這將揭示新的物理學。”
例如，變化的精細結構常數可能預示著額外的維度。弦理論是下一代物理理論的有力候選者。弦理論提出，存在我們看不到的微小卷曲維度，它影響著像精細結構常數這樣的自然常數。劍橋大學的宇宙學家約翰·巴羅（John Barrow）說：“如果存在額外的維度，那麼這些‘自然常數’的地位就會降低。如果真有九個或十個維度的空間，其中只有三個是宏觀可見的，那麼那些真正恆定的自然常數便存在於總維度中。而我們觀察到的僅是它們在三維空間的投影，這也就不再是真正的常數了。”
20多年前，澳大利亞物理學家約翰·韋伯（John Webb）開始痴迷於研究精細結構常數的可變理論。1996年，還是年輕研究員的韋伯拜訪了當時在英國蘇塞克斯大學的巴羅。兩人討論了狄拉克關於自然常數不恆定的想法。韋伯想知道利用世界上最強大望遠鏡所採集的光，能否解決這個問題。
宇宙光線中尋找α變化
望遠鏡接收的一部分光已經旅行了很長時間。夏威夷最高點莫納克亞（Mauna Kea）山頂上的凱克（Keck）望遠鏡可以採集到大約120億年前，由超亮星系核或類星體發出的光。在前往地球的旅途中，一些光線已經穿過吸收特定波長的氣體雲。這給了測量精細結構常數一個關鍵的立足點。“如果你改變了精細結構常數，你就會改變電子和原子核之間的吸引力，”韋伯說，“從而改變給定原子吸收光的波長。這意味著吸收光譜會
形成一種類似於條形碼的獨特譜線。” 位於夏威夷的凱克望遠鏡
韋伯與新南威爾士大學的同事合作，開發了一種能分析上述吸收光譜的新方法，並將其應用於凱克望遠鏡捕獲的類星體數據。1998年，包括韋伯、巴羅在內的合作團隊取得了首個成果：在120~60億年前，精細結構常數平均增加了百萬分之六。這不足以對物理學產生重大影響，但α確實改變過。
這是個轟動性的結論，但很少有人相信它。巴羅說：“從技術層面上，尋找精細結構常數改變的證據非常困難。我們只有23個光譜數據，並且它們全都來自凱克望遠鏡。測量設備導致的系統誤差可能使數據發生偏倚。”
對精細結構常數的探索將是一場漫長的貓捉老鼠遊戲，而上述結果只是一個開端。每當韋伯和不斷更替的合作者發佈一份全新的分析報告，展示使用新數據計算出的α變化值，其他一些團隊都會反駁他們的結果。而韋伯團隊每次在他人反駁時都捍衛了自己的觀點，與此同時，他們也在努力找到系統誤差來源。他們還獲得了智利另一臺望遠鏡——
甚大望遠鏡（VLT）的數據。他們對精細結構常數的最新表述是，它的大小與所在地點與地球的距離大致呈線性變化。韋伯說：“只有走過大爆炸後光線所穿行的距離，才能感受到物理學開始出現顯著的不同。”然而，自大爆炸以來，宇宙一直在膨脹，因此宇宙延伸得更遠。線性演進表明，在那些看不見的區域，精細結構常數足以使宇宙看起來與眾不同。“α可能非常不同，以至於我們所知的生命形式不可能在那裡存在。”韋伯說。但他承認，這仍然高度存疑。數據的誤差幅度很大，並且隨著測量精密度的提升，變化可能會消失。
智利甚大望遠鏡的慧眼或許已經觀測到了變化的自然常數
圖片來源：ESO/Y. Beletsky
α值爭議延續
澳大利亞斯威本大學的邁克爾·墨菲（Michael Murphy）認為變化量會必然會消失。作為韋伯的學生，墨菲已從事測量α工作多年。除韋伯外，沒有人更瞭解其中涉及的硬件、數據和分析技術。2014年，墨菲聲稱他終於發現了一個錯誤，從而撤銷了對α為非恆定量的聲明。
墨菲和斯威本大學的同事喬納森·惠特莫爾（Jonathan Whitmore）意識到，用於校準分析儀器的燈的光線並沒有經歷與宇宙光線相同的扭曲。當他們用來自附近天體（如太陽、類日恆星或反光小行星）的光重新校準儀器時，測量結果發生改變。墨菲說：“我們發現它會使光譜變得複雜，使一些譜線靠近或遠離其他譜線，這足以產生α在變化的錯覺。”
2017年，韋伯與加州大學伯克利分校的文森特·杜蒙特（Vincent Dumont）合作，駁斥了墨菲等人的觀點。兩人聲稱，數據分析存在缺陷，並且僅適用於從甚大望遠鏡得到的結果的子集，而不是凱克望遠鏡的原始結果。墨菲承認了這一點，但表示他對這些結果的信任被削弱了。
然而，墨菲並沒有離開這項研究。他說：“我們仍然不瞭解這些基本常數。我的動機沒有改變。我們應該盡力而為，盡我們所能測量這些常數。在未來，我們需要用不同的方法，做出更準確的研究。”
這已然發生。新實驗旨在用更高精度的實驗測量α值。與此同時，今年11月，甚大望遠鏡的一臺新儀器（ESPRESSO）將被啟用。根據墨菲的設想，它將是一臺測量類星體光譜的理想設備。
ESPRESSO的首席研究員弗朗西斯科·佩佩（Francesco Pepe）表示，他們必須對其進行校準，以便能夠能夠掌握它。“據我們預測，到2019年底，我們將能夠確認或是否定，精細結構常數究竟是否存在數十萬分之一的變化。”他說。ESPRESSO應該能夠在過去的100億年中尋找自然常數的變化量，甚至有望探索整個可觀測宇宙。“我非常看好它取得重大進展的前景。”巴羅說。
與此同時，韋伯也在用新手段完善他的研究。從類星體光譜中得出α值涉及選取光譜區域的主觀決策。有時我們不禁會忽略看似不那麼重要的光譜區域，因為這部分區域吸收線過少。但這樣的簡化可能會使結果產生偏差。為了避免這種情況，韋伯和學生馬修·班布里奇（Matthew Bainbridge）創建了一種機器學習算法，可以客觀、全面地統計原始數據。“我們已經改變了所有手動決策，將問題拋給一組超級計算機進行處理。”韋伯說。
計算機處理1000次測量後，他將只查看最終的結果。這好比是一個“密封的信封”，消除了淡化不符合假設的單次測量的趨利性干擾。韋伯表示，目前還需約500次測量結果，這項工作應該會與ESPRESSO分析數據幾乎同時完成。
在那之後，無論結果如何，韋伯都會離開這項研究。他說：“時間還在繼續，生活中還有其他你想做的事。我將在2020年底前完成這項工作，看看結果如何，並讓其他人接管。”即便如此，他認為自然常數是否恆定的問題仍不會得到解決。他說：“這個問題始於1937年的狄拉克，它不會在2020年突然結束，反而可能成為其他人的擔憂。”
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