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为什么说宇宙中最神秘的整数是137?
为什么说宇宙中最神秘的整数是137?为什么说宇宙中最神秘的整数是137?
在玻尔和索末菲之后，很多大家耳熟能详的着名物理学家都曾经沉迷于研究精细结构常数的本质——海森堡、泡利、狄拉克、玻恩……传说泡利病重住院时仍然痴迷于精细结构常数，他的助手去医院探望他，病床上的泡利提醒助手注意他的病房号——“137”，后来他正是在这个病房内去世了。泡利还曾留下了这段评论：
“当我死后，我问魔鬼的第一个问题将是：精细结构常数的真正含义是什么？”
历史上，物理学家曾试图从第一性原理出发，通过纯理论推导得到精细结构常数，但这些尝试也都失败了。理查德·费曼为此而抓狂：
“所有优秀的理论物理学家都将这个数贴在墙上，为它大伤脑筋……它是物理学中最大的谜之一。……你也许会说‘上帝之手’写下了这个数字，而我们不知道他是怎样下的笔。”
泡利（左）和费曼（右）都曾为精细结构常数的本质而着迷（图片来源：Wikipedia）
冥冥之中，物质世界似乎并不想让人类直接依靠纯理性推出“真相”，那么科学家只能通过实验的手段逐步推进对这个世界的认识。
实际上，经过多年的精密测量，物理学家已经确认精细结构常数α的倒数并不严格等于137。2020年，法国的卡斯特-布罗塞尔实验室发文公布了目前精细结构常数α最精确的测量结果：
1/α=137.035999206(11)
这个结果的准确度达到万亿分之81，相当于测量出地球到月球的距离，误差不到一根头发丝。正因为如此夸张的精密程度，精细结构常数已经成为人类历史上测量最精确的物理学常数之一。
有些“遗憾”的是，这个结果同时表明，精细结构的倒数是137也许只是一个美妙的巧合，而非宇宙对于137这个整数有所偏爱。
精细结构常数的历史测量数据的汇总与对比。图中红色数据点代表基于电子反常磁矩的测量结果，蓝色与绿色数据点代表基于原子反冲的测量结果。最下方蓝色数据点为目前最精确的测量结果。（图片来源：Morel et al., Nature 2020）
为什么物理学家要追求对精细结构常数的精确测量？因为它在基础物理的各个领域中随处可见。作为描述电磁相互作用强度的耦合常数，精细结构常数是检验诸多物理学理论正确性的关键。
还有一个更重要的问题是，精细结构常数真的是“常数”吗？它在宇宙的演化过程中，或在不同的时空位置，是否会发生变化？万一它是变化的，那么现代物理学大厦将会崩塌。
一种检验方法是将目光放到深邃的太空中。宇宙中遥远的类星体发出的光穿过弥漫在宇宙中的气体云后，一些频率的光被气体云吸收。我们在地球上测量类星体光谱中的吸收线，就可以得到几十亿到上百亿年前精细结构常数的信息。
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“当我死后，我问魔鬼的第一个问题将是：精细结构常数的真正含义是什么？”
历史上，物理学家曾试图从第一性原理出发，通过纯理论推导得到精细结构常数，但这些尝试也都失败了。理查德·费曼为此而抓狂：
“所有优秀的理论物理学家都将这个数贴在墙上，为它大伤脑筋……它是物理学中最大的谜之一。……你也许会说‘上帝之手’写下了这个数字，而我们不知道他是怎样下的笔。”
泡利（左）和费曼（右）都曾为精细结构常数的本质而着迷（图片来源：Wikipedia）
冥冥之中，物质世界似乎并不想让人类直接依靠纯理性推出“真相”，那么科学家只能通过实验的手段逐步推进对这个世界的认识。
实际上，经过多年的精密测量，物理学家已经确认精细结构常数α的倒数并不严格等于137。2020年，法国的卡斯特-布罗塞尔实验室发文公布了目前精细结构常数α最精确的测量结果：
1/α=137.035999206(11)
这个结果的准确度达到万亿分之81，相当于测量出地球到月球的距离，误差不到一根头发丝。正因为如此夸张的精密程度，精细结构常数已经成为人类历史上测量最精确的物理学常数之一。
有些“遗憾”的是，这个结果同时表明，精细结构的倒数是137也许只是一个美妙的巧合，而非宇宙对于137这个整数有所偏爱。
精细结构常数的历史测量数据的汇总与对比。图中红色数据点代表基于电子反常磁矩的测量结果，蓝色与绿色数据点代表基于原子反冲的测量结果。最下方蓝色数据点为目前最精确的测量结果。（图片来源：Morel et al., Nature 2020）
为什么物理学家要追求对精细结构常数的精确测量？因为它在基础物理的各个领域中随处可见。作为描述电磁相互作用强度的耦合常数，精细结构常数是检验诸多物理学理论正确性的关键。
还有一个更重要的问题是，精细结构常数真的是“常数”吗？它在宇宙的演化过程中，或在不同的时空位置，是否会发生变化？万一它是变化的，那么现代物理学大厦将会崩塌。
一种检验方法是将目光放到深邃的太空中。宇宙中遥远的类星体发出的光穿过弥漫在宇宙中的气体云后，一些频率的光被气体云吸收。我们在地球上测量类星体光谱中的吸收线，就可以得到几十亿到上百亿年前精细结构常数的信息。
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