改變這個數，就改變了宇宙

一個關乎宇宙和生命的常數

物理學中有一個著名的常數，來自自然界中三個最基本的物理量——光速c、電子電荷e和普朗克常數h——的組合，如果計算hc/2πe²，你就會發現三個常量的單位恰好抵消，只剩下一個純數字：137.03599913。換句話說，如果瓦肯星（《星球大戰》系列中一個存在智慧生命的外星）上的科學家使用瓦肯星的單位計算這個量，他們仍會得到137.03599913。因此，這個奇妙的數字就被看作是自然界的普適常數。

這個數是如此重要，以至於有它自己的名字和符號。出於歷史原因，人們使用了它的倒數：2πe²/hc= 1/137.03599913=0.00729735，稱其為“精細結構常數”，並用希臘字母α來表示。

你知道這個數有多重要嗎？可以這麼說，它改變了，整個宇宙也就改變了。如果讓它變大，質子之間的互相排斥就會變得強烈，它們呆在同一個原子核裡就變得困難起來。這樣，元素週期表中穩定的元素就要減少。當α大到超過0.1時，恆星內部的核聚變就“停工”了，不能再製造碳，而碳恰恰是生命賴以存在的元素。讓α變小，分子之間的化學鍵只要溫度稍低一點就斷裂，許多對於生命活動至關重要的化學反應都得改變。到那時，所有的生物都將面臨毀滅。

此外，α也與宇宙的一個深奧謎團有關。20世紀30年代，英國物理學家狄拉克注意到，由電子電荷e、電子質量m、質子質量M和萬有引力常數G組成的無單位常數e²/GmM的數值是10⁴⁰，而以原子尺度為單位的宇宙半徑也是10⁴⁰。此外，還有其他一些無單位的大數。它們之間也有著簡單的關係。如宇宙中的粒子數約10⁸⁰，宇宙膨脹到極大時的半徑與基本粒子的大小之比值約10⁴⁰，基本粒子大小與普朗克長度之比值約10²⁰，宇宙中的光子數與重子數之比約10¹⁰……等等。狄拉克認為這一事實不是偶然的巧合，而是反映了宇宙的內在聯繫，並稱之為“大數假設”。

所以，這些大數和像α那樣的常數到底是從哪裡來的，這是物理學家很關心的問題。

自然界的常數未必恆久不變

物理學家們還沒來得及搞清楚“上帝之手”是如何寫下了α=1/

其實，自然界中的常數——包括光速、基本粒子質量等這些有單位的常數——可能並不是恆常不變的。這一想法由來已久，開創者還是狄拉克。1937年，當愛丁頓還在玩各種數學遊戲，要從理論上推導出各種常數數值的時候，狄拉克就嘲笑他：“您這樣瞎折騰幹嘛？它們雖然現在看起來似乎是常數，但我們怎麼能確定它們在宇宙的時間和空間尺度上沒有變化呢？”

狄拉克的觀點後來又得到弦理論的支持。超弦理論提出，現實的空間可能不只有3個維度，還有其餘9或10個維度。只是其他維度非常微小，蜷曲起來不讓我們看到而已，我們能看到的，只是大的那三個維度。為了理解這一點，你可以想象一個毛線球，你從很遠的地方看，很可能只看到一個點，長寬高三個維度都隱而不見了。當你移近看，這些維度才“展開”來，讓你知道原來它是三維物體。要是再移近，你會發現事情變得更復雜了：毛線球不像乒乓球是一個簡單的球，它是由一根三維的長毛線捲成的，而這根毛線自身又是毛茸茸的，絕不像一條光滑的尼龍繩。這些細節，在你從遠處看時，似乎都“蜷曲”、隱藏起來了。弦理論中的維度“蜷曲”也就是這個意思。

如果現實空間有著更高的維度，我們這個三維世界不過是它的投影，那麼自然常數“恆常不變”這個事實就只能適用於高維空間，而不適用於低維空間——因為低維空間並不代表真實的現實。

這個道理也是顯然的。不妨拿光速來說。我們說光在三維空間中傳播速度是不變的。但是，從生活在更低維度世界的生物看來，它們可不認同這一點。舉個例子。在二維平面有一個正三角形ABC。頂點A在左邊，C在右邊，B在中間。從A同時向C、B點各射一束光。它們將同時到達C、B點。現在，把正三角形ABC投影到AC這條線上，成了AB*C，假如AC線上的一維世界裡生活著一個生物，在它看來，光同時到達B*點和C點，但顯然AC比AB*長，於是它就得出結論：光速不是不變的，距離越長，光跑得越快。

但如果物理學常數會發生變化，這又意味著什麼呢？意味著物理學規律也要變化了。“規律”的原意是指不會隨著時間和地點而改變的東西。如果規律也會變化，那還算什麼規律！那整個宇宙就沒有任何規律可言了——科學家以探索自然規律為使命，他們的飯碗就要砸了。這可是很嚴重的事情。尤其，我們前面已經提到，對於當前的宇宙，α值的變化可謂牽一髮而動全身。

不過幸好，可以讓我們暫時鬆口氣的是，長時間的跟蹤測量表明，至少在地球上，α的值一直保持恆定（要知道，我們對它的測量，精度已提高到百億分之幾）。

不過，對物理學家來說，這個問題依然懸而未決。因為狄拉克的猜測是，在宇宙的時間和空間尺度上，自然常數可能會發生變化。但正可謂“夏蟲不可語於冰，井蛙不可語於海”，人類的歷史比起宇宙的年齡，比白駒過隙還短暫；此外，我們也像井蛙一樣，沒到過宇宙中其他遙遠的地方進行測量。所以，在地球上測量是恆常不變的東西，絲毫不能說明在宇宙的年齡和範圍內依然是恆常不變的。

終於發現常數在變化啦！

很多物理學家在研究自然常數變不變的問題。澳大利亞物理學家約翰·韋伯就是其中之一。從1996年起，他就開始從事研究α會不會發生變化這項工作了。他認為，我們最強大的望遠鏡所收集到的星光或許能解決這一問題。

其中一些星光在宇宙空間已經傳播了很長時間。比如，位於夏威夷莫納基亞山上的凱克望遠鏡，可以捕捉到大約120億年前由極其明亮的星系核或類星體發出的光。某些特定波長的光波在到達地球的旅途中，會被星際空間的氣體雲吸收，因此在光譜上留下一條條像條形碼似的暗線。因為暗線的產生涉及電子和原子核之間的相互作用，而這個相互作用的強弱又涉及α的數值。所以，α數值的任何變化都可以在含有暗線的光譜中體現出來。比如，α數值變化，這些“條形碼”就整體往左或右移動，等等。

因為“光被氣體雲吸收”這件事發生在很久之前，又是在遙遠的星際空間，這樣我們就可以在宇宙的時間和空間尺度上檢驗α的數值是否會發生變化。當然，做這種實驗是非常不容易的。首先，也許α的數值雖然在變化，但變化非常微小，不易覺察；其次，我們還要排除各種因素的干擾。

韋伯和他的同事開發了一系列的軟件來分析這些複雜的吸收光譜。到1998年，他們取得了第一個成果：在120億至60億年前，α的數值平均增加了百萬分之六——雖然變化非常微小，但畢竟說明它在變化。

這個結果當時在理論物理學界引起軒然大波。很少有人相信這一結果。因為韋伯分析的23個光譜，都來自凱克望遠鏡，所以很多人懷疑，這是儀器的系統誤差造成的。

為了排除儀器造成誤差的可能性，他們又用位於智利安第斯山的甚大望遠鏡得來的光譜進行分析。分析結果公佈於2018年9月。他們關於α的最新說法是，它在宇宙中隨著離開我們的距離，近似地以與距離成正比的規律在變化。所以，在地球附近α值的變化可能非常微小，但延伸到遙遠宇宙中的其他地方，那裡的α值跟我們這裡的會有很大的不同，足以使那裡的宇宙看起來也非常不同。

這個結果甚至可以用來解釋“我們為什麼至今沒有找到外星人”這一世紀難題。因為生命的存在高度依賴於α的數值。如果宇宙中大多數地方的α值跟我們這裡的不一樣，那裡的生命壓根兒無法誕生，自然也就排除了存在生命的可能。

上帝擲骰子決定

不過,就目前來說，韋伯等人得出的結論依然存在很大的爭議。韋伯也承認，數據的誤差幅度很大，並不能對這個問題一錘定音。關鍵是分析中有些地方還涉及人為的主觀判斷。比如根據類星體光譜得出α值，需要主觀地決定光譜的哪些部分可以包括進來，哪些部分可以捨棄。這些都可能會使結果產生偏差。韋伯和他的學生目前正在開發一種機器學習算法，該算法對原始數據的查看會更加全面、客觀。以後，分析就可以全部交給超級計算機來完成。

另外，2018年11月，智利“甚大望遠鏡”上的一種新儀器ESPRESSO將上線。它是測量類星體光譜的理想儀器，能夠搜索α值在過去100億年——甚至追溯更久之前——的變化，探測範圍也將擴大到整個可觀測的宇宙。

那麼，α值在宇宙的時間和空間尺度上到底變不變，我們就把這個問題留給未來吧。下面來看看另外一個問題。

萬一更精確的測量證實這些常數確實是恆常不變的，該如何解釋大自然為什麼非要讓這個常數是這個值而不是另一個值呢？

物理學家對這個問題也不是毫無準備的。有一種理論說，我們這個自138億年前從大爆炸中誕生的宇宙其實不是唯一的宇宙。還存在著無數的宇宙，它們像飄在空中的氣泡一樣，彼此分離，不相干。當然，偶爾也會碰撞，合併，形成一個更大的宇宙泡泡。這些宇宙泡泡，每一個都有自己的一套自然常數。比如在這個泡泡裡，α值是1/134，在另一個泡泡裡，α值是1/156……等等。前面說過，α值決定了元素週期表中穩定元素的多寡。所以，在我們的宇宙中，穩定元素只有130多種，但在有的宇宙中，穩定元素可能達上千種，而在另一些宇宙中，穩定元素可能一種都沒有……總之，在一個宇宙泡泡中，某個自然常數取這個數值而不是另一個數值，完全是隨機的。

愛因斯坦曾經說：“上帝不會擲骰子。”但是在自然常數的選擇問題上，我們除了假設上帝確實擲了骰子，似乎沒有更好的解釋。

理論家們鬧笑話

既然α如此重要，自然有物理學家希望通過純理論的手段計算出這個常數來。因為如果能從理論上推導出來，那它就算不得是個謎了。大半個世紀以來，這方面的嘗試可以說是沒有停過，然而還沒有哪一位物理學家真正取得過成功。正如物理學家費曼所說：“這個數自50多年前發現以來一直是個謎。所有優秀的理論物理學家都將這個數貼在牆上，為它大傷腦筋……它是物理學中最大的謎之一，一個魔數來到我們身邊，可是沒人能理解它。你也許會說‘上帝之手’寫下了這個數字，而‘我們不知道他是怎樣下的筆’。”

英國物理學家愛丁頓（就是去非洲觀測日全食驗證廣義相對論的那一位物理學家）是最早一位嘗試用純理論方法計算α的科學家。他用純邏輯證明：1/α=(162-16)/2+16=136

這與當時的實驗結果相符合。後來，更精確的實驗結果出來了，發現α更接近於1/137。於是，愛丁頓聲稱他原先的計算中有個小錯誤，改正之後，他又斷定1/α等於整數

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