关于自然常数的超大视野

2020年诺贝尔物理学奖授予了三位研究人员，他们确认爱因斯坦的广义相对论可以预测黑洞，并确定我们自己星系的中心装有一个超大质量的黑洞，相当于在相对较小的空间中塞满了400万个太阳。除了扩大我们对黑洞的理解之外，超质量黑洞周围的强大引力场还是研究极端条件下自然的实验室。包括其中一位新的诺贝尔奖获得者在内的研究人员，加州大学洛杉矶分校的安德里亚·盖兹（Andrea Ghez），已经测量了重力如何改变精细结构常数，精细常数是定义物理宇宙的自然常数之一，在这种情况下，还包括其中的生命。这项研究扩展了其他正在进行的工作，以了解这些常数以及它们是否随时间和空间变化。希望能找到解决基本粒子标准模型和当前宇宙学中问题的线索。

除盖兹（Ghez）外，剑桥大学的罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）是2020年获得诺贝尔奖的其他人，他加深了我们对黑洞的理论理解；和位于德国Garching的马克斯·普朗克外星物理研究所的Reinhard Genzel。 Ghez和Genzel进行了平行但又分开的观察和分析，从而各自推断出我们银河系超大质量黑洞的存在。距离27,000光年远，要获得良好的数据，需要使用大型望远镜。盖兹曾与夏威夷毛纳克亚（Mauna Kea）的凯克天文台合作，而根泽尔（Genzel）使用了智利的超大型望远镜。每个研究人员都发现，他们观察到的恒星运动是由银河系中心的巨大质量引起的。他们在一个仅比太阳系大的区域中获得了相同的价值，即太阳质量的400万倍，这是超大质量黑洞的明确证据。

盖茨（Ghez）在凯克（Keck）的研究使她成为今年发表的论文的合著者，巴黎天文台的AurélienHees和13位国际同事介绍了我们银河系超质量黑洞附近的精细结构常数的结果。值得注意的是，盖茨（Ghez）的诺贝尔奖获得者支持这项研究的结果结合了当今的理论和天文学技术以及可追溯到约翰内斯·开普勒和艾萨克·牛顿的思想，以研究超大质量黑洞附近恒星的运动。这是牛顿在1675年撰写的关于科学如何发展的见解的另一个例子，“如果我能进一步看到它，那就是站在巨人的肩膀上。”

德国天文学家开普勒（Kepler）就是这样的一位巨人，他在1609年提出行星运动定律时就改变了科学。他是第一个证明行星不像假设那样绕着神圣启发的完美圆绕太阳公转。轨道是椭圆形，太阳在椭圆的焦点处，这两个点从中心对称偏移，这两个点之一定义了如何构造椭圆。开普勒还发现了行星轨道的大小与行星完成一条电路所需的时间之间的数学关系。

1687年，牛顿为开普勒定律提供了更深，更连贯的物理基础。牛顿的万有引力定律基于物体之间的相互吸引，显示出围绕质量的闭合轨道中的天体遵循取决于该质量的椭圆路径。今天在入门天文学中教授的这一结果，是盖茨如何发现超大质量黑洞质量的核心。她多年的仔细观察精确地定义了绕银河系中心旋转的恒星的椭圆路径。然后她用牛顿的理论来计算中心的质量（广义相对论取代了牛顿定律，预言了黑洞，但牛顿的方法对于超大质量黑洞周围的恒星轨道是足够准确的）。了解这些轨道对于测量超大质量黑洞附近强重力中的精细结构常数至关重要。该常数如何取决于重力可能是修改标准模型或广义相对论以处理暗物质和暗能量的线索，暗物质和暗能量是当代物理学的两个大难题。

这种特殊的检验适合对自然的基本常数进行更大范围的长期检验，每一个要素都告诉我们一些有关我们最深层理论的范围或规模的信息。与其他常数一起，精细结构常数（由希腊字母α表示）出现在标准模型（基本粒子的量子场论）中。 α的数值定义了光子和带电粒子通过电磁力相互作用的强度，电磁力与重力以及强弱核力一起控制着宇宙。电磁效应决定了质子之间的排斥程度以及电子在原子中的行为。如果α的值与我们所知的值相差很大，那将影响恒星内部的核聚变产生碳元素或原子能否形成稳定的复杂分子。两者都是生命必不可少的，另一个原因α很大。

其他常数代表其他主要的物理理论：c，真空中的光速对相对论至关重要； h，由马克思·普朗克（Max Planck）得出的常数（现在称为“ h-bar”，或ħ= h / 2π）设置了量子效应的微小尺寸；牛顿理论和广义相对论中的重力常数G决定了天体如何相互作用。 1899年，普朗克仅使用这三个来定义基于自然属性而不是基于任何人类文物的通用测量系统。他写道，这种制度“对于任何时代，所有文明，无论是外在的还是非人类的文明”都是相同的。

普朗克根据c，ħ和G得出的长度，时间和质量的自然单位：L P = 1.6 x 10 -35米，T P = 5.4 x 10 -44秒，M P = 2.2 x 10 -8千克。太小而无法实用，它们具有概念上的分量。在当今的宇宙中，基本粒子之间的引力相互作用太弱，无法影响其量子行为。但是，将这些物体放置在一个很小的普朗克长度L P上，小于基本粒子的直径，并且它们的引力相互作用变得足够强大，足以与量子效应相抗衡。这定义了“大爆炸”之后10 -44秒的“普朗克时代”，当时引力效应和量子效应具有相似的强度，需要结合量子引力理论而不是我们今天拥有的两种理论。

但是，对于某些物理学家来说，c，ħ和G并不是真正的基础，因为它们取决于测量单位。例如，以公制为单位，c值为299,792 km / sec，以英制单位为186,282 km / sec。这表明物理单位是文化构造，而不是自然界固有的要素（1999年，NASA的“火星气候轨道器”致命坠毁，因为有两个科学团队忘记了检查另一个使用了哪个测量系统）。但是，纯数字常量将在文化之间，甚至在我们与具有不可思议的度量单位的外星人之间完美转换。

精细结构常数α突出表明具有这种有利的纯度。在1916年，随着氢原子中的单个电子在量子能级之间跃迁，计算出的光的波长就会出现。尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的早期量子理论预测了主要波长，但光谱显示了其他特征。为了解释这些，德国理论家阿诺德·索默菲尔德（Arnold Sommerfeld）在氢原子的量子理论中增加了相对论。他的计算取决于他称为精细结构常数的数量。它包括ħ，c和电子e上的电荷，这是自然界的另一个常数。介电常数ε0代表真空的电学性质。值得注意的是，此奇数集合中的物理单位会抵消，仅留下纯数字0.0072973525693。

索默费尔德只将α用作参数，但在1920年代后期因在法国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）的相对论量子力学高级研究中再次出现而闻名时，英国天文学家阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）希望它成为一切理论。他计划将量子理论和相对论相结合，以得出宇宙的特性，例如宇宙中基本粒子的数量以及其中的常数α。

爱丁顿方法的一个转折是他考虑了数量1 /α而不是α，因为他的分析表明，数量必须是整数，也必须是纯数字。这与现代测量结果一致，得出1 /α= 137.1，非常接近137。爱丁顿的计算得出的结果是136，足够接近以引起人们的兴趣。然而，进一步的测量证实了1 /α＝ 137.036。爱丁顿试图证明他的不同结果的尝试令人信服，并且由于这个和其他原因，他的理论未能幸存。

但是α和“ 137”保持联系，这就是为什么理查德·费曼称137为“魔术数”。他的意思与命理无关。而是我们知道如何测量α的值，但不知道如何从我们知道的任何理论中得出。对于其他基本常数，包括纯数（例如质子和电子质量之比），也是如此，这是标准模型所缺少的。然而，α的值在量子电动力学（电磁的量子理论）中至关重要。 Feynman充分理解了这一点，因为他因开发量子电动力学而与另外两名理论家一起获得了1965年诺贝尔奖。

因此，α被认为是自然界的重要常数之一。现在，物理学家们问到，有了这些量的值就可以准确知道了，它们真的恒定吗？ 1937年，考虑到宇宙中的力量，狄拉克推测宇宙中随着年龄的增长，α和G随时间而变化。另一个暗示性的甚至更古老的推测是想知道常数是否在整个宇宙中变化。 1543年，当波兰天文学家尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）将太阳而不是地球置于宇宙的中心时，他将人类从其特殊的宇宙位置移开了。这意味着宇宙到处都是相同的，但这只是一个假设。

变化的“常数”会同时改变标准模型和基于它的宇宙论以及广义相对论，而其他问题无法解释暗物质和暗能量。在宇宙被“微调”以支持生命的观念中添加α的作用，以及在许多多重宇宙中，我们存在的那个就是具有α获胜值的那个。所有这些刺激了对自然常数的研究，其中大部分集中在α上。

地球上的测量结果证实，α固定在千亿分之几以内。一个更具挑战性的项目是在天文距离上对其进行测量。这也决定了宇宙早期的α，因为数十亿光年以外的光花了很多年才从年轻的宇宙到达我们。自1999年以来，澳大利亚新南威尔士大学的约翰·韦伯（John Webb）与其同事一直通过收集来自称为类星体的遥远星系核心的光来进行此类测量，在那里，黑洞会吸入发光的尘埃。该光穿过星际气体云，并以云中原子的特征波长吸收。分析波长会在较远的位置给出α，就像氢波长首先在地球上定义为α一样。

韦伯的早期结果表明，在过去60亿年或更长的时间里，α增长了0.0006％，并且它取决于与地球的距离。 2020年公布的结果显示，从现在到130亿年前，当宇宙只有8亿年时，α的变化较小，作者将其解释为“与时间没有变化一致”。累积结果还表明，α沿空间的不同方向变化。总体而言，实验误差太大，无法激发人们对α的任何单个测量变化都准确无误的信心，但这些变化肯定非常小。

现在，也已经在一个强引力场中对α进行了测量，在理论上它可以改变。我们知道，最强的引力来自一个黑洞，宇宙飞船必须在黑洞中达到无法企及的光速才能逃脱。但是强烈的引力也伴随着白矮星，这颗恒星将其外层排出，留下了一个巨大但只有行星大小的核。 2013年，新南威尔士大学的J.C. Berengut和Webb等人分析了白矮星的光谱数据，相对于地球的α的变化为0.004％。

但是，直到Hees和包括Ghez在内的合著者今年的工作之前，没有人测量过一个超大质量黑洞附近的α。她从凯克（Keck）得到的结果帮助选择了五颗恒星，这些恒星的轨道将其带到超大质量黑洞附近，以最大程度地发挥引力效应，并且由于周围的恒星大气，其光谱显示出强大的吸收特性。这有助于从每颗恒星的吸收波长得出α。最终的复合结果再次显示，与地球相比，α的变化很小，为0.001％或更少。

“对不起，现在几点了？”我想您，就像我一样，问了这个问题是有罪的，好像很明显有时间这样的事情。然而，您可能从未接触过陌生的人...阅读更多

尽管测得的α变化很小，但超质量黑洞引力场中不同位置的五颗恒星的结果却产生了新的结果；他们允许对理论预测的早期测试，即α的变化与引力势的变化成正比，引力势是存储在引力场中的能量。结果证实这两个量是成比例的，但是数据的不确定性仅支持对比例常数的粗略估计。一个更可靠的值可以在处理暗物质和暗能量的几种新理论之间进行选择。

就目前而言，在重力和重力作用下，随时间和空间变化的α实测值太小或不确定，无法引导物理学家转向新理论，甚至无法激发诸如宇宙远处或黑洞附近的生命前景之类的推测。变化的微小暗示了哥白尼的观点，即在很大的尺度上，宇宙到处看起来都差不多，尽管更多的测量可以确认整个宇宙之间是否存在微小的差异，这可能是有意义的。

知道在动态宇宙中这个特定的宇宙数保持稳定可能是一种安慰。但是，在我们的银河系超质量黑洞附近看到较大的α变化可能是新物理学的起点。正如Hees在一封电子邮件采访中所描述的那样，他现在的目标是更深入地了解黑洞的引力场。他计划在2021年进行新的优化测量，以“观察更靠近黑洞的恒星，因此具有更强的引力势...”但是，利用当前的技术，很难获得对超近恒星的良好光谱观测到黑洞。”他仍然相信他可以将测量误差减少10倍。

盖茨（Ghez）进行的世界一流的诺贝尔奖工作取决于观测和光谱技术的巨大进步。可以肯定的是，在这个成功项目的基础上做进一步的改进将加强对超大质量黑洞的研究，这是一个研究α难以捉摸的变化以及它们对我们如何理解宇宙意味着什么的独特竞技场。

西德尼·珀科维茨（Sidney Perkowitz）是埃默里大学（Emory University）的名誉物理学查尔斯·霍华德·坎德尔（Charles Howard Candler）物理学教授。他的最新著作是《物理学：简短介绍》和《真正的科学家不戴领带》。他正在从事《科学素描》的研究。

主角图像：此图描绘了银河系核心超大质量黑洞中的疯狂活动，被称为人马座A *或Sgr A *。信用：ESA–C。卡罗/ NASA