物理学中的基本常数有多基本?

  在现有的物理体系中,光速以及其他几十个所谓的宇宙基本常数一样,它们都是物理学家理解宇宙的关键。这些常数甚至还能被用于定义度量单位,比如米、秒以及千克。然而,对于为什么基本常数必须是常数的问题,物理学界还没有达成共识。

  上个月,《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上的一篇新论文[1]提出了一项实验,以研究这些物理学中毫不动摇的支柱是否在时空中波动。如果是这样,科学家将需要重新评估现有的宇宙模型,或者至少给这些所谓的基本常数起一个不同的名字。

  美国国家标准与技术研究所(NIST)的物理学家Peter Mohr表示,基本常数本质上只是理论中出现的参数。基本常数对理论具有根本的重要性,但它们的数值无法被理论所预测,必须通过实验来测量。

  Mohr参与了千克新定义的研究,这个定义是基于一个基本常数——普朗克常数,而不是自1889年以来一直被使用的一块铂合金。物理学家的目标是建立一个测量质量的标准,这个标准能够经受住时间的考验,而不会像物质块那样因为污染和降解而增重或减重。

  由于很多度量单位的定义都是建立在基本常数之上,如果基本常数发生变化,这会改变重新定义的单位。但数十年来的实验数据表明,这些常数的任何潜在变化都是极其微小的——不到10亿亿分之一。这些变化即使存在,也会非常小,物理学家不用在大多数实验中考虑它们。

  事实上,如果这些基本常数变化太大,作为粒子物理学基础理论的标准模型就无法经受住数十年的严格实验检验,标准模型也就不可能预测夸克和希格斯玻色子等基本粒子的存在。标准模型描述了物质是由什么构成的,以及物质如何与除引力之外的三个基本力发生相互作用。

  尽管基本常数的可能变化太小,不足以推翻现代物理学,但这仍能显著改变我们对暗物质、暗能量等尚待理解事物的看法。

  夸美纽斯大学的物理学家Lukas F. Pasteka是这篇新论文的第一作者,他表示,我们清楚物理学家需要超越标准模型,但我们不清楚应该朝哪个方向走——弦理论,还是超对称性,还是其他一些理论。

  在现有的前沿物理学理论中,有些包括了对基本常数变化的预测。一项足够精确的实验可以检验这些预测,并帮助缩小范围。

  如果有一把长度相当于太阳系直径的尺子,那么,这把尺子的10亿亿分之一的变化大约等于一根头发的宽度。乍一看,测量这种程度的变化听起来可能极端困难,但事实果真如此吗?

  此前,直接探测到引力波的激光干涉引力波天文台(LIGO)拥有极高的灵敏度。LIGO两条干涉臂的长度均达到了4公里,其灵敏度可以探测到10万亿亿分之一的变化,这意味着LIGO可以检测到相当于一个质子宽度千分之一的长度变化。由此,LIGO最远已经探测到了90亿光年外的黑洞碰撞所辐射出的引力波。

  物理学家认为,这种灵敏度正是他们检测基本常数变化所需要的,这已经超越当前的极限。通过观测LIGO过去和未来收集的数据,物理学家希望能探测到一些基本常数变化所产生的信号,这些常数包括光速、普朗克常数、电子的电荷和质子-电子质量比。

  另外,这项研究还提出了一种不同的方法,可以使用更小的仪器来直接监测原子间的键距,比如金原子间的键距。与LIGO相比,这种方法可能更直接,但不那么敏感。在获得有意义的数据之前,这两种方法都至少需要几年时间,甚至更长时间。

  最终,这些新的测量方法将会让物理学家知道,要么基本常数比以往任何时候都更恒定,要么根本就不那么恒定。基于此,物理学家可能会找到物理学的发展方向。

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