物理学家钉牢塑造宇宙的“魔幻数字”

随着基本常数的变化，光速c享誉全球，但c的数值与自然无关。它取决于以米/秒或英里/小时为单位进行测量。相反，精细结构常数没有尺寸或单位。正如理查德·费曼（Richard Feynman）所描述的那样，它是一个纯净的数字，将整个宇宙塑造成惊人的程度：“一个没有理解的魔幻数字出现在我们身上”。保罗·狄拉克（Paul Dirac）认为数字的起源是“物理学中最根本未解决的问题”。

在数值上，用希腊字母α（alpha）表示的精细结构常数非常接近比率1/137。它通常出现在控制光和物质的公式中。科罗拉多大学，博尔德大学和美国国家标准与技术研究院的诺贝尔奖获得者，物理学家埃里克·康奈尔（Eric Cornell）说：“就像在建筑中，这是黄金比例。”他说：“在低能物质的物理学中（原子，分子，化学，生物学），总是存在着较大的事物与较小的事物的比例”。 “这些比率往往是精细结构常数的幂。”

该常数无处不在，因为它表征了影响电子和质子等带电粒子的电磁力的强度。 “在我们的日常生活中，一切都是重力或电磁。这就是为什么alpha如此重要的原因。''加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家霍尔格·穆勒（HolgerMüller）说。因为1/137很小，所以电磁力很弱。结果，带电粒子形成了空气中的原子，这些原子的电子绕一定距离绕行，很容易跳开，从而形成化学键。另一方面，常数也足够大：物理学家认为，如果该常数约为1/138，则恒星将无法产生碳，而我们所知的生命将不复存在。

物理学家已经或多或少地放弃了一个世纪以来对alpha特殊价值来自何处的痴迷。他们现在承认，基本常数可以是随机的，由宇宙诞生时的宇宙骰子决定。但是新的目标已经接管了。

物理学家希望尽可能精确地测量精细结构常数。由于它无处不在，因此对其进行精确测量可以使他们测试基本粒子之间相互关系的理论-这套雄伟的方程组被称为粒子物理学的标准模型。相关量的超高精度测量之间的任何差异都可能表明存在新颖的颗粒或标准方程式未解释的影响。康奈尔（Cornell）称这类精确度测量为实验性发现宇宙基本工作原理以及粒子对撞机和望远镜的第三种方式。

在《自然》杂志上的一篇新论文中，由巴黎的Kastler Brossel实验室的SaïdaGuellati-Khélifa带领的四位物理学家组成的团队报告了迄今为止最精细的结构常数测量。研究小组将该常数的值测量到小数点后11位，并报告α= 1 / 137.035999206。

新测量的误差范围仅为万亿分之一八十分之一，比主要竞争对手伯克利的穆勒研究小组2018年的最佳测量精度高出近三倍。 （瓜拉蒂-赫利法（Guellati-Khélifa）在2011年穆勒（Müller）之前进行了最精确的测量。）穆勒（Müller）说到他的竞争对手对α的新测量，“三分之一是一件大事。让我们为实现这一巨大成就而感到害羞。”

在过去的22年中，Guellati-Khélifa一直在改进自己的实验。她通过测量rub原子吸收光子时的回弹力来衡量精细结构常数。 （穆勒对铯原子也是如此。）反冲速度揭示了heavy原子有多重，这是用简单的公式来计算精细结构常数最困难的因素。 “这始终是最不准确的测量瓶颈，因此，任何改进都会导致精细结构常数的提高，”Müller解释说。

巴黎的实验人员首先将cooling原子冷却到几乎为零，然后将它们放入真空室。随着原子云的下落，研究人员使用激光脉冲将原子置于两个状态的量子叠加中，这两个状态被光子踢出而未被踢出。每个原子的两个可能的变体在分开的轨迹上传播，直到更多的激光脉冲将叠置的两半重新聚在一起。当被光踢时，原子反冲的次数越多，则与自身的未弯曲版本越不相称。研究人员通过测量这一差异来揭示原子的反冲速度。 “从反冲速度中，我们提取出原子的质量，原子的质量直接参与了精细结构常数的确定，”Guellati-Khélifa说。

在如此精确的实验中，每个细节都很重要。新论文的表1是“误差预算”，列出了影响最终测量的16个误差和不确定性来源。其中包括重力和地球自转产生的科里奥利力-都经过艰苦的量化和补偿。错误预算的大部分来自激光器的易碎品，研究人员花费了数年时间对其进行完善。

对于Guellati-Khélifa来说，最困难的部分是知道何时停止和发布。当冠状病毒在法国站稳脚跟时，她和她的团队就停止了2020年2月17日这一周。当被问及决定出版是否像艺术家决定画作完成时，瓜拉蒂-赫利法说：“是的。究竟。究竟。”

出乎意料的是，她的新测量与穆勒（Müller）2018年的结果相差十位数，比任何一项测量的误差幅度更大。这意味着，除非rub和铯之间存在某些根本性差异，否则其中一项或两项测量都存在无法解释的误差。巴黎小组的测量更为精确，因此目前处于优先地位，但两个小组都会改进其设置并重试。

尽管这两个测量结果有所不同，但它们与从电子g因子的精确测量推断出的α值非常匹配，该g因子是与电子磁矩或电子在磁场中经历的扭矩有关的常数。康奈尔说：“您可以通过大量的数学运算将精细结构常数连接到g因子。” “如果（标准模型）的方程式中缺少任何物理效应，我们将得到错误的答案。”

取而代之的是，这些测量值匹配得很好，很大程度上排除了一些有关新粒子的建议。最佳g因子测量与Müller2018年测量之间的协议被誉为标准模型的最大胜利。瓜拉蒂-赫利法（Guellati-Khélifa）的新成绩更胜一筹。她说：“这是理论与实验之间最精确的协议。”

但是她和Müller都开始着手进一步改进。伯克利团队已改用具有更宽光束的新激光器（以使其更均匀地撞击铯原子云），而巴黎团队计划更换其真空室等。

什么样的人会付出如此巨大的努力来进行这样的改进？瓜拉蒂-赫利法（Guellati-Khélifa）提出了三个特征：“您必须严谨，热情和诚实。”缪勒（Müller）在回答同一问题时说：“我认为这很令人兴奋，因为我喜欢制造闪亮的精美机器。我喜欢将它们应用于重要的事物。”他指出，没有人能像欧洲的大型强子对撞机那样单枪匹马建造一个高能对撞机。但穆勒说，通过构造一种超精密的仪器而不是一种超能量的仪器，“您可以用三到四个人来进行与基本物理相关的测量。”

Natalie Wolchover是《量子杂志》（Quanta Magazine）的资深撰稿人和编辑，内容涉及物理学。