为什么数字“1/137”在自然界随处可见？三个因素告诉你原因

大家好，我是科学羊🐑。

自从人类第一次意识到宇宙遵循某些不变的物理法则以来，我们便一直在思考一个巨大的哲学问题：

为什么我们的宇宙是这个样子，而不是任何我们可以想象的其他样子？

这个问题看似深奥，却可以从以下3个核心因素来探讨：

1️⃣ 自然法则本身

2️⃣ 支配现实的基本常数

3️⃣ 宇宙诞生的初始条件

这三个因素深刻地塑造了我们所理解的宇宙。

如果宇宙遵循不同的自然法则，那么几乎所有我们熟知的现象都会发生剧变。

质子可能会衰变，粒子的质量不再恒定，甚至基本力的强度也可能随时发生震动式的变化。

也许，如果我们只改变宇宙的初始条件，尽管宇宙的演化路径可能不同，但它的整体框架与我们今天看到的宇宙是相似的。

唯独那些基本常数，它们的变化可能带来深远的影响，甚至改变宇宙的结构和生命的存在方式。

其中，精细结构常数是一个非常有趣的物理量，它出现在亚原子世界及整个宇宙层面的一系列现象计算中。

这个常数大约等于1/137！

质子的结构，由点状夸克和胶子组成。质子本身是一种复合的，而非基本的量子粒子。然而，其中的夸克和胶子，以及围绕原子核旋转的电子，被认为是真正的基本和不可分割的。(图片来源: APS/Alan Stonebraker)

它的存在，揭示了自然界背后一个更加深奥的秘密：宇宙在细微尺度上的精妙平衡。

我们接下来一起探讨一下，故事要从物理学标准模型的基本粒子谈起。

01 物质的最小构件：标准模型的基本粒子

标准模型中的粒子有六种是夸克（图中用紫色表示），有六种是轻子（图中用绿色表示）。左边的三列中，每一列构成物质的一代。再右边一列是规范玻色子，最右边粒子是希格斯玻色子。｜图源 wiki

在我们的宇宙中，如果我们将其分解成最基本的成分，所有物质都由一种名为“标准模型”的粒子组成。

标准模型是物理学描述物质最基本构件和它们相互作用的理论框架。这些粒子包括夸克、胶子和电子等，构成了宇宙的物质基础。

其中夸克和胶子是两种最基本的粒子，它们通过强力相互作用结合在一起，形成质子和中子这些复杂粒子。

电子则是轻子中的一种，也是构成物质的基本单元之一。

夸克和电子被认为是无法进一步分解的基本粒子，它们不仅赋予物质质量，还定义了所有物理现象的基本性质。

02 电子与原子的秘密：从玻尔到精细结构常数

要了解精细结构常数的作用，我们必须先回顾一下原子模型的发展。

早在1912年，物理学家尼尔斯·玻尔提出了一个ge命性的原子模型，认为电子围绕原子核运行，类似于行星围绕太阳转动。

在玻尔模型里，被约束于原子壳层的带负价电子，绕着带正价原子核进行圆周运动。从一个轨道跃迁至另一个轨道会伴随着离散能量以电磁波的形式被发射或吸收。电子的轨道显示为灰色圆圈，其半径随着主量子数平方n^2增加，从主量子数3 → 2的跃迁制成了巴耳末系的第一条谱线，波长为656 nm （红光）。

然而，玻尔模型的核心在于，它规定了电子只能存在于某些特定的轨道上，就像行星绕太阳一样！

玻尔的模型和我们的太阳系最大的不同在于，原子只允许存在某些特定的状态，而行星可以以任何速度和半径的组合进行轨道运行，从而形成一个稳定的轨道。

这一发现深刻影响了我们对微观世界的理解。

玻尔意识到，电子不仅仅是环绕原子核旋转的粒子，它们与原子核之间有着复杂的电荷吸引力，且这种力与电子的运动状态密切相关。

每个原子都有一套独特的能级结构，这也是每种元素表现出不同化学性质的原因之一。

然而，玻尔模型并不是完美无缺的。

在实际的实验中，科学家发现，氢原子并不像玻尔模型所预测的那样精确地发射和吸收光谱。

1900年代末，迈克尔逊和莫雷已经通过精密的实验测量出氢原子发射线与理论值存在微小偏差，特别是在能量层级的细节上。

玻尔模型未能完全解释实验中的这些微小变化，直到1916年，物理学家阿诺·索末菲尔德提出了一个突破性的改进。

他将相对论效应考虑进来，并提出了一个全新的常数——精细结构常数（α）。这个常数能精确地解释原子光谱中的细节，包括那些玻尔模型无法解释的细结构。

精细结构常数的引入，揭示了电子运动中的相对论效应、量子自旋效应以及其他微小量子效应对原子能级结构的影响。

通过引入这个常数，索末菲尔德不仅解释了氢原子光谱的精细结构，还为物理学家提供了一个工具，用以更精确地理解物质的微观结构。

精细结构常数的数学表达式为：

其中，e是电子电荷，ε0是自由空间的介电常数的电磁常数，c是光速，ℏ是约化普朗克常数。

不同于其他物理常数，精细结构常数它没有单位，只是一个纯粹的数字。

根据最好的现代测量方法，α = 0.007297352569，其中只有最后一个数字是不确定的。

这非常接近于一个精确数字: α = 1/137。

人们曾经认为这个精确的数字可以用某种方式解释，但是更好的理论和实验研究已经证明这个关系是不精确的，α = 1/137.0359991，其中只有最后一个数字是不确定的。

尽管精细结构常数可以解释氢原子中能级的微小分裂，但它并没有揭示出原子结构的所有奥秘。

随着物理学的不断发展，科学家发现原子光谱不仅存在细结构，还存在超精细结构。这种超精细结构源自电子与原子核自旋之间的相互作用。

例如，氢原子中的自旋翻转跃迁就是一种超精细结构效应，它代表了最细微的能级分裂。

超精细结构揭示了物质世界中的另一种精密：在超高精度下，电子与原子核之间的微小相互作用会影响到物质的整体结构，这些相互作用甚至能揭示出宇宙中的更深层次规律。

03 精细结构常数的稳定性与宇宙演化

在现代物理学中，精细结构常数被认为是描述宇宙物理法则的一个基础常数。

它的稳定性对于我们理解宇宙的结构至关重要。

然而，科学家们一直在探讨精细结构常数是否可能随着时间和空间的变化而发生微小的波动。

近期的研究表明，精细结构常数可能在宇宙的不同区域或者不同时间段有略微的变化，但这些变化非常微小，尚未得到充分的证实。

费米实验室的 μ 介子 g-2电磁铁准备接收束的 μ 介子粒子。(图片来源: Reidar Hahn/Fermilab)

通过分析氢和氘的光谱线，物理学家们提出，精细结构常数在宇宙早期可能发生过微小变化，幅度大约为0.0001%。

然而，直到今天，这些发现仍然没有经过独立的验证，并且大部分物理学界对此持怀疑态度。如果精细结构常数真的存在变化，它将深刻改变我们对宇宙基本常数的认知，甚至可能为物理学的下一次ge命提供线索。

精细结构常数不仅对理解物质微观世界有着至关重要的作用，还在高能物理中扮演着核心角色。

例如，在粒子的磁矩测量中，精细结构常数就发挥着关键作用。粒子如电子和μ介子的磁矩值，几乎完全依赖于精细结构常数。

这些测量已经精确到了极高的精度，理论与实验之间的微小差异，可能为我们打开一个新的物理学领域的大门。

物理学家们已经将精细结构常数的应用扩展到了粒子物理的各个方面，不仅用它来解释粒子的行为，还在努力通过更加精确的实验来验证这一常数是否在极高能量下发生变化。

未来的实验可能为我们提供更多关于宇宙运作原理的信息，甚至为超越标准模型的理论提供基础。

总结：

宇宙的微观世界并非单纯的物质相互作用，它充满了复杂而精细的结构。

从原子中微小的能级分裂，到更宏观层面的物理常数，我们的宇宙因这些“细节”而显得如此独特。

正如物理学家们所言：宇宙的奥秘往往隐藏在那些最微小的细节之中，只有通过不断的实验与探索，我们才能窥见宇宙更广阔的面貌。

好，今天就这样啦～

科学羊🐏  2024/12/09

祝幸福~ 

参考资料：

[1]. medium.Ethan Siegel

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