為什麼說宇宙中最神秘的整數是137?

2026-03-19 | 來源: 果殼 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

在玻爾和索末菲之後，很多大家耳熟能詳的著名物理學家都曾經沉迷於研究精細結構常數的本質——海森堡、泡利、狄拉克、玻恩……傳說泡利病重住院時仍然癡迷於精細結構常數，他的助手去醫院探望他，病床上的泡利提醒助手注意他的病房號——“137”，後來他正是在這個病房內去世了。泡利還曾留下了這段評論：

“當我死後，我問魔鬼的第一個問題將是：精細結構常數的真正含義是什麼？”

歷史上，物理學家曾試圖從第一性原理出發，通過純理論推導得到精細結構常數，但這些嘗試也都失敗了。理查德·費曼為此而抓狂：

“所有優秀的理論物理學家都將這個數貼在牆上，為它大傷腦筋……它是物理學中最大的謎之一。……你也許會說‘上帝之手’寫下了這個數字，而我們不知道他是怎樣下的筆。”

泡利（左）和費曼（右）都曾為精細結構常數的本質而著迷（圖片來源：Wikipedia）

冥冥之中，物質世界似乎並不想讓人類直接依靠純理性推出“真相”，那麼科學家只能通過實驗的手段逐步推進對這個世界的認識。

實際上，經過多年的精密測量，物理學家已經確認精細結構常數α的倒數並不嚴格等於137。2020年，法國的卡斯特-布羅塞爾實驗室發文公布了目前精細結構常數α最精確的測量結果：

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1/α=137.035999206(11)

這個結果的准確度達到萬億分之81，相當於測量出地球到月球的距離，誤差不到一根頭發絲。正因為如此誇張的精密程度，精細結構常數已經成為人類歷史上測量最精確的物理學常數之一。

有些“遺憾”的是，這個結果同時表明，精細結構的倒數是137也許只是一個美妙的巧合，而非宇宙對於137這個整數有所偏愛。

精細結構常數的歷史測量數據的匯總與對比。圖中紅色數據點代表基於電子反常磁矩的測量結果，藍色與綠色數據點代表基於原子反沖的測量結果。最下方藍色數據點為目前最精確的測量結果。（圖片來源：Morel et al., Nature 2020）

為什麼物理學家要追求對精細結構常數的精確測量？因為它在基礎物理的各個領域中隨處可見。作為描述電磁相互作用強度的耦合常數，精細結構常數是檢驗諸多物理學理論正確性的關鍵。

還有一個更重要的問題是，精細結構常數真的是“常數”嗎？它在宇宙的演化過程中，或在不同的時空位置，是否會發生變化？萬一它是變化的，那麼現代物理學大廈將會崩塌。

一種檢驗方法是將目光放到深邃的太空中。宇宙中遙遠的類星體發出的光穿過彌漫在宇宙中的氣體雲後，一些頻率的光被氣體雲吸收。我們在地球上測量類星體光譜中的吸收線，就可以得到幾十億到上百億年前精細結構常數的信息。