理解宇宙？這些數(shù)是鑰匙

物理學(xué)中的那些常數(shù)

在你心目中，物理學(xué)規(guī)律是什么樣子的呢？它們都是一些干巴巴的公式或方程，對吧，比如浮力定律、牛頓第二定律、萬有引力定律、歐姆定律等等。在公式里，一些是代表物理量的符號(hào)，另一些則是不變的常數(shù)。比如萬有引力定律F=（Gm1m2）/r2，其中m代表物體質(zhì)量，r代表兩物體之間的距離——這些都是可變的。但G卻是不變的，叫萬有引力常數(shù)。

整個(gè)物理學(xué)中有很多這樣的常數(shù)，像光速，還有一旦涉及量子世界就少不了的普朗克常數(shù)，以及表征各種基本粒子質(zhì)量和基本作用力強(qiáng)度的常數(shù)，等等。

但是，這些常數(shù)大多數(shù)都是有單位的，單位變，數(shù)值也跟著變。例如光速是300000千米/秒，但如果用英里每秒作單位的話，就是186000英里/秒。你的體重可以是120斤，也可以是60千克。單位一變，數(shù)值就跟著變，說明還“?！钡貌粔驈氐?。對于這類常數(shù)，如果你只知道大小、不知道它的單位，就沒有任何意義。

什么樣的常數(shù)才算“常”得徹底呢？當(dāng)然是那些跟單位無關(guān)的常數(shù)。比如幾何上的圓周率π，跟單位是完全無關(guān)的。因?yàn)閳A周率是從圓周長和直徑之比得到的，圓周長和直徑都是長度單位，一比，單位就消掉了，只剩下一個(gè)純粹的數(shù)字。

我們的宇宙是由粒子、粒子間的相互作用和時(shí)空結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，時(shí)空是一個(gè)不斷變化的舞臺(tái)，宇宙的演化就在這個(gè)舞臺(tái)上徐徐展開，而粒子就是參與者。所以，要想理解宇宙，就必須要知道宇宙存在的初始條件和關(guān)于粒子的各種信息，這些信息指的就是描述所有相互作用強(qiáng)度和所有粒子物理性質(zhì)的基本常數(shù)。

在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，需要至少19個(gè)這樣的常數(shù)，包括精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α、希格斯玻色子的質(zhì)量等一系列表征基本粒子質(zhì)量和相互作用強(qiáng)度的常數(shù)。

在標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型中，需要9個(gè)常數(shù)，包括描述宇宙加速膨脹率的宇宙常數(shù)。

粒子的質(zhì)量

我們目前發(fā)現(xiàn)的基本粒子一共有62種，分為12種輕子、36種夸克、4種玻色子、8種膠子、光子和引力子。其中，引力子還只是一個(gè)假設(shè)，并沒有真正被探測到;光子和膠子的靜止質(zhì)量為0。在12種輕子中，一半是正粒子（比如電子），一半是反粒子（比如正電子），而正粒子和反粒子的質(zhì)量相同，因此我們只需要6個(gè)代表輕子質(zhì)量的常數(shù)。

與輕子類似，雖然夸克有36種，但我們只需要6個(gè)代表夸克質(zhì)量的常數(shù)。玻色子又分為希格斯玻色子、Z玻色子、W+玻色子和W-玻色子，由于W+玻色子和W-玻色子的質(zhì)量相同，我們僅需要3個(gè)代表玻色子質(zhì)量的常數(shù)。這樣算下來，一共是15個(gè)粒子質(zhì)量常數(shù)。

耦合常數(shù)

耦合指的是兩個(gè)事物之間存在的一種相互作用、相互影響的關(guān)系，而耦合常數(shù)就是粒子之間相互作用的強(qiáng)度。自然界有四種相互作用力：強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和萬有引力。把質(zhì)子和中子約束在原子核中需要強(qiáng)相互作用力，創(chuàng)造恒星和銀河系需要萬有引力，構(gòu)造原子需要電磁相互作用力（電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)需要電磁力），而弱相互作用力也是研究宇宙所必不可少的，它造成了物質(zhì)的衰變。因此，我們需要能描述這4種相互作用強(qiáng)度的常數(shù)。

其中，電磁相互作用的強(qiáng)度常常用精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)來表示，它的數(shù)值約為1/137。別問我為什么是這個(gè)數(shù)，因?yàn)榭茖W(xué)家們也沒搞明白原因，他們還給這個(gè)數(shù)字起了個(gè)外號(hào)，叫做“上帝的數(shù)”。這個(gè)外號(hào)足以表明科學(xué)家們的困惑（這個(gè)常數(shù)如此重要，以至于我們在下文中要專門展開）。

萬有引力是兩個(gè)有質(zhì)量物體間的吸引力，這個(gè)力的大小與它們質(zhì)量的乘積、距離和萬有引力常數(shù)有關(guān)。目前，萬有引力常數(shù)為6.672×10-11N·m2/kg2，這個(gè)數(shù)值是測量的結(jié)果。

強(qiáng)相互作用的耦合常數(shù)約為1.214，這個(gè)數(shù)能夠告訴我們，中子和質(zhì)子間結(jié)合力的強(qiáng)度，以及原子分裂時(shí)，它可以釋放多少的能量。弱相互作用力是由W及Z玻色子的交換引起的，不同的玻色子造成的強(qiáng)度也不同，因此弱相互作用力耦合常數(shù)有兩個(gè)，不過，目前還沒有特別精確的弱耦合常數(shù)測量值。

這樣算來，耦合常數(shù)共有5個(gè)。

中微子振蕩和夸克相互轉(zhuǎn)換

中微子屬于輕子，也是基本粒子，目前已知的中微子有三種，分別是t中微子、μ中微子和電子中微子，它們不帶電，質(zhì)量非常輕，可以輕松穿過人體、建筑、甚至地球。大多數(shù)粒子在物理變化和核反應(yīng)過程中都伴有中微子的產(chǎn)生，比如：核反應(yīng)堆發(fā)電、太陽發(fā)光、宇宙射線等。中微子只受萬有引力和弱相互作用力的影響，由于中微子與其他物質(zhì)的相互作用十分微弱，大約在100億個(gè)中微子中才有一個(gè)會(huì)與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此中微子的檢測十分困難。

20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家們在美國南達(dá)科他州的一個(gè)1500米深的礦井中，安置了一個(gè)裝有近40萬升四氯乙烯的儲(chǔ)液罐。他們預(yù)計(jì)太陽發(fā)出的中微子會(huì)被氯37原子核內(nèi)的中子吸收，使后者變成一個(gè)質(zhì)子，并釋放出一個(gè)電子，然后，氯37就變成了氬37。物理學(xué)家想辦法數(shù)一數(shù)產(chǎn)生了多少氬37，就會(huì)知道這個(gè)裝置吸收了多少中微子。

然而，科學(xué)家通過這個(gè)裝置得到的太陽中微子流量僅為理論值的三分之一，這就是著名的太陽中微子問題?？茖W(xué)家們后來找到了問題的原因，原來太陽中微子（即電子中微子）會(huì)在來地球的途中偷偷“整容”，轉(zhuǎn)換成其他兩種中微子，而專門用來捕獲太陽中微子的裝置檢測不到其他兩種中微子，這個(gè)轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象被稱為中微子振蕩。物理學(xué)家們設(shè)計(jì)出了描述中微子振蕩現(xiàn)象的公式，由于這個(gè)公式太過復(fù)雜，我們只需要知道，該公式需要4個(gè)常數(shù)，來推導(dǎo)出三種中微子之間的變換。

目前，我們已知的夸克有6種，這些夸克分為兩類，其中上夸克、粲夸克、頂夸克為上型夸克，下夸克、奇異夸克、底夸克為下型夸克。與中微子振蕩類似，夸克在弱相互作用下，上型夸克和下型夸克會(huì)互相轉(zhuǎn)變，共有9種組合。例如，上夸克可以轉(zhuǎn)變成下夸克、奇異夸克和底夸克。意大利物理學(xué)家卡比博和日本物理學(xué)家小林誠、益川敏英設(shè)計(jì)出了CKM矩陣（CKM為三人姓式首字母），來描述夸克之間的轉(zhuǎn)變，CKM矩陣同樣需要4個(gè)常數(shù)。

那么我們?yōu)槭裁葱枰鲜龅?個(gè)常數(shù)呢？

通常，我們認(rèn)為宇宙是守恒的，即在任何反應(yīng)的前后，一些特定的量是維持恒定不變的。例如，正電子和負(fù)電子的電量相等但電性相反，此時(shí)電荷總量為0，正負(fù)電子碰撞會(huì)湮滅，電荷總量仍為0。按理說，在產(chǎn)生宇宙的大爆炸發(fā)生后，物質(zhì)和反物質(zhì)（正常物質(zhì)的反狀態(tài)）在數(shù)量上應(yīng)該是對等的。然而，實(shí)際情況卻不這樣，我們的宇宙被物質(zhì)充斥，反物質(zhì)卻無處可尋，它們只出現(xiàn)于放射性衰變、粒子對撞或屈指可數(shù)的其他物理過程中。物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱的問題至今是宇宙的未解之謎，而中微子振蕩和夸克混合也許能夠解答這個(gè)問題，它們表明一種物質(zhì)可以直接轉(zhuǎn)換為另一種物質(zhì)，不遵循守恒的定律，因此這兩種物理現(xiàn)象十分重要，為了理解這兩種轉(zhuǎn)變，我們需要這些常數(shù)。

宇宙常數(shù)

天文學(xué)家們通過觀察發(fā)現(xiàn)，所有星系之間的距離都在增加，宇宙正在膨脹。因?yàn)楦餍窍抵g存在引力，所以人們一度認(rèn)為膨脹的速度會(huì)漸漸慢下來。然而在1998年，科學(xué)家們觀測到星系的速度更快了，也就是說，宇宙不只在膨脹，還在加速膨脹。為了解釋宇宙的這種現(xiàn)象，物理學(xué)家引入了一個(gè)全新的宇宙力量——暗能量。暗能量并不是真正的能量，因?yàn)槟芰渴侵妇哂幸π?yīng)的東西，比如：物質(zhì)、反物質(zhì)、暗物質(zhì)，而暗能量正好相反，它具有斥力效應(yīng)，這種斥力能夠使整個(gè)宇宙都加速膨脹。

在愛因斯坦提出廣義相對論的時(shí)候，物理學(xué)界普遍認(rèn)為，宇宙是靜態(tài)穩(wěn)定的，既不膨脹也不收縮。因此，愛因斯坦在著名的引力場方程里，加上了一個(gè)宇宙常數(shù)，為了能夠維持一個(gè)靜態(tài)的宇宙。但是現(xiàn)代測量宇宙學(xué)之父埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹，于是，愛因斯坦懊悔不已，將宇宙常數(shù)從引力場公式中刪去了。然而，科學(xué)家們?yōu)榱私忉層钪娴呐蛎?，將宇宙常?shù)又重新加入公式中，來代表宇宙膨脹的程度。

如果我們將物理學(xué)定律、宇宙的初始條件和這些常數(shù)給物理學(xué)家，他們就能夠模擬出宇宙。但是宇宙中仍存在一些謎題，它是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜和令人驚奇的地方，在現(xiàn)實(shí)中，我們對宇宙了解的越多，就越需要更多的參數(shù)來全面描述它。物理學(xué)的發(fā)展就在于不斷提出新的概念，來修正理論假設(shè)和實(shí)際觀測之間的出入，最終建立出一套可以自洽的數(shù)學(xué)模型。也許在未來，一些關(guān)于宇宙的物理學(xué)理論會(huì)發(fā)生變化，我們所需要的常數(shù)也會(huì)完全不同。