为什么光会这么快?( 二 )


2013年 , 法国巴黎第十一大学的马塞尔·厄班和他的同事利用量子涨落 , 正确地计算出了光速的数值 。 他们发现 , 真空中虚粒子的密度决定着真空介电常数和真空磁导率的大小 , 进而决定着光速的大小 。
这个结果看起来很令人满意 , 但这并不能完全解开光速之谜 。 如果继续问下去 , 仍有许多问题 。 例如 , 真空中虚粒子的密度决定着光速的话 , 那么虚粒子的密度又是由谁决定的?它会发生改变吗?
真的是常数?
所以问题依旧悬而未决 。 而且 , 并不只是光速有这样的问题 。 我们知道 , 光速只不过是许多基本物理常数中的一个 。 其他的基本物理常数还有万有引力常数(表示引力强度的常数)、普朗克常数(表示量子效应有多大的常数)、基本电荷(一个电子或一个质子所带的电量)等等 。 这些基本物理常数被认为适用于整个宇宙 , 并且不随时间发生改变 。 果真如此吗?
基本物理常数是否始终不变 , 其实是一个古老的哲学争论 。 亚里士多德曾认为 , 地球的构造与上天的构造是完全不同的 , 那么基本物理常数也会因此而不同 。 而哥白尼却认为 , 我们这里其实与宇宙其他任何部分都是一样的 。 在今天 , 科学家们都采用的是现代版的哥白尼观点 , 认为物理定律在时空的任何地方都是完全一样的 , 但这仍只是假设 。
因此 , 20世纪英国理论物理学家、量子力学的奠基者之一保罗·狄拉克就曾质疑过万有引力常数 。 1937年 , 根据相关的宇宙学观测 , 狄拉克猜测万有引力常数可能每年大约会减少100亿分之一 。 不过 , 之后的天文观测表明并不存在这种减少 , 而且也没有任何迹象表明万有引力常数随着空间的不同而不同 。 而且 , 利用在地球上的万有引力常数测量值 , 我们可以准确地描述整个太阳系行星和航天器运行的轨道 , 以及宇宙深处的天文学事件 。
同样 , 目前没有任何证据表明 , 光速会随着时间或空间的不同而发生变化 。
谁是“基本”的常数?
所以 , 让我们假设这些常数是真正的常数 。 那么它们是基本的吗?有没有哪些比另一些更为基本?尽管有多种提议 , 物理学家通常认为普朗克常数、光速和万有引力常数是最为基本的 。 不过 , 并不是所有人都认同这个观点 。
我们知道每一个测量出的物理量都是由数值和单位构成的 。 我们不会说光速约为300000 , 而是300000千米/秒 , 或186000英里/秒 , 或0.984英尺/纳秒 。 虽然前面这些数字和单位都是不一样的 , 但是它们的“量纲”(物理量的属性)却是相同的 , 都是长度除以时间 。 同样 , 万有引力常数和普朗克常数也有自己的量纲 , 分别是[长度3/(质量×时间2)]和[质量×长度2/时间] 。
但是一些常量却不具有任何量纲 。 这些常数就是所谓的无量纲常数 , 它们就是纯数字 , 在各种单位制下都是一样的 。 例如 , 质子与电子的质量之比就是无量纲常数 , 约为1836.2 , 后面不需要加任何物理单位 。 伦敦大学帝国理工学院的物理学家迈克尔·达夫认为 , 只有无量纲常数才是“基本”的 , 因为它们是独立于任何的单位制 。 他认为 , 有量纲常数仅仅是人类构造出来的 , 因为其数量在不同单位制会有所不同 。
人择原理
也许最有趣的无量纲常量就是精细结构常数 。 1916年 , 物理学家利用量子理论解释氢原子光谱线的精细结构(指的光谱线靠得比较近)时 , 首次引用了它 。 物理学家发现 , 精细结构常数相当于电子绕着氢核的速度除以光速 , 其数值约为0.0072973525698 , 与1/137几乎相等 。

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