物理学或者说我们的宇宙中最重要的三个常数

从物理学的角度看,我们的宇宙能够存在,是极小概率事件,一个真正意义上的奇迹。规定我们这个宇宙性质的有很多常数,这些常数中的有一些哪怕有一丁点改变,宇宙就不会是现在的样子,原子不会聚合,聚变反应无法进行,恒星不会形成,星系分崩离析。而这其中,最重要、最本质、最具决定性的三个常数是万有引力常数、真空光速和普朗克常数。

万有引力常数G

1687年,牛顿发布了人类历史上最伟大的著作《自然哲学的数学原理》,系统阐述了万有引力:任何两个质点都存在通过其连心线方向上的相互吸引的力。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比,与两物体的化学组成和其间介质种类无关。

万有引力常数

其中G就是万有引力常数,是物理学领域最重要的基本常数。对其值的精确测量,伴随着牛顿以后整个物理学发展的全过程,但直到现在,和其它常数比起来,对 G 的测量精度依然不高,要低两个数量级。2016年,国际科学技术数据委员会发布的万有引力常数推荐值为:

万有引力常数

万有引力常数之所以难测,是因为引力非常微弱。大家在学校都做过摩擦生电实验,静电对纸屑的吸引,竟然大于整个地球质量对纸屑的引力。根据测量,引力的强度只有电磁力的10的36次方分之一。

如此重要的常数,肯定是越精确越好。全世界很多科学家仍然在想办法提高其精度。最新的数据来自我国华中科技大学罗俊团队,1999年,他们用扭秤技术精确测量G值,被国际科学技术数据委员会(CODATA)录用。2009年,他们同时使用了两种独立方法——扭秤周期法、扭秤角加速度反馈法,再次更新了G值,是目前精度最高。科学研究不仅需要天才般的灵感,还需要如十年如一日的坚持。

真空光速c

在我们这个宇宙中,没有任何速度能超过真空光速c。爱因斯坦的相对论彻底颠覆了我们对时空的认知,真空光速在任何参考系中都是一个恒定值,从而推导出了一系列看似匪夷所思但确已经被难以置信的精度验证的结果。

比如,尺缩效应,物体在其运动方向上长度会变短;钟慢效应,高速运动的物体时间会变慢,达到光速时,时间停止,这彻底打破了时间是均匀的、绝对的、独立的观点,每一个物体都有自己的时间节律,只是这种差别在低速时很小,所以我们感觉不到。

但在高能加速器中,相对论的所有推论都被证实。比如,一种微观粒子μ子在高速运动时的寿命达到了静止时的10倍,和相对论的预言完全一致。事实上,我们每天使用的卫星导航定位系统,就必须考虑相对论效应,否则每天的累计误差将达到无法接受。还有,也许是物理学中知名的公式,将能量与质量统一起来的质能方程。

爱因斯坦质能方程

对于光速的测量,始于近代科学的先驱伽利略,他设计的实验相当直观,就是和助手分别站在两个相距较远的山顶,每个人拿着一盏灯,一个人遮住灯,另一个人看到后也遮住,然后测量两次遮住灯之间的时间,就可以计算光速了。理论上没啥问题,但显然这是不可能测出光速的,因为光速实在太快了,完全超出了这个简单实验的能力。伽利略也承认,他什么也没测出来。

真正意义上的光速测量来自丹麦物理学家奥勒·罗默。1671年起,他通过多次细致观测发现,在离地球较远时,木卫二绕到木星背后并重新出现的时间较长,因为木卫二绕木星旋转的速度是恒定的,那么只有一个解释,就是光的传播速度是一个有限的值。根据观测数据,罗默当时给出的结论光速108 米/秒的量级,虽然粗糙,但确是最重要的一步跨越。

现代人们能够使用更高的精度测量光速,真空中的光速为299792458 m/s。光速是如此重要,米的概念被光速重新定义了,现代物理中的米被定义为光在299792458分之一秒内传播的距离,光速在理论上的误差都被消除了。

普朗克常数

相对论虽然离奇,但只要你接受了光速在任何参考系中都不变的前提,那么其余结论就会自然推导出来。量子力学则不一样,虽然今天我们现代社会就构筑于量子力学之上,越有三分之一的现代产业需要量子力学的支撑,晶体管、激光、核磁共振、电子显微镜等数百项重要发明直接源于量子力学。

但人们从未搞清楚过量子力学,虽然它的计算已经被在十几个小数点的精度上严格验证了。就连爱因斯坦,这位量子力学的奠基者之一,一辈子都在拒绝量子力学的哥本哈根诠释,他始终认为,量子力学虽然正确,但不完备。

因为量子力学太奇怪了,突破了所有的逻辑。到底该怎么理解波粒二象性呢,物质为什么会以概率的方式存在,为什么观测会导致波函数坍缩,叠加态到底什么,量子纠缠意味着什么?没有人懂量子力学,但它却是现代物理学的基石。

量子力学的出现,表明物理学美好的田园时代结束了,曾经我们天真地意味,总有一天,人类能够看清整个宇宙。而量子力学告诉我们,世界就是屏幕上的像素点,粗看起来是连续的,实际上却是由一个一个的像素点构成的,有一个精度的极限,在此之下,是我们永远无法企及的领域。

而普朗克常数就定义了这个极限。请记住这个值,普朗克常数,它支配着我们的宇宙。

普朗克常数

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页面更新:2024-05-20

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