常数之谜,科学家是如何确定常数的?常数与宇宙的关系是什么?


常数之谜,科学家是如何确定常数的?常数与宇宙的关系是什么?


文章图片


常数之谜,科学家是如何确定常数的?常数与宇宙的关系是什么?


文章图片


常数之谜,科学家是如何确定常数的?常数与宇宙的关系是什么?



哈勃常数、引力常数、普朗克常数、玻尔兹曼常数、光速、π、真空的介电常数、真空的磁导率、电导率、电阻率、库仑常数 , 等等……常数家族的队伍还在不断扩大 。 任何学过基础科学的人都会遇到至少一个物理常数 , 比如光速或电子的质量 。 这是不可避免的 。
科学家尤其是物理学家必须记住这些常数(至少非常熟悉) , 因为这可以让很多计算过程变得简单 。 但当你停下来思考这些常数 , 以及它们所描述宇宙的某方面的性质时 , 你会感到不可思议 。 这些庞大的数字并不仅仅是为了给我们带来计算上的不便 。
我们知道很多常数的值 , 但是这些值是怎么来的呢?这些常数是科学家创造的 , 还是自然存在的?它们对物理学意味着什么?它们会改变吗?如果会 , 我们为什么称它们为“常数”?
这些常数意味着什么?

哈勃常数告诉我们宇宙的膨胀及恒星离我们远去的速度 , 最终帮助我们计算宇宙的年龄 。 自埃德温·哈勃于1929年首次计算出它以来 , 已经过去了近100年 , 科学家们仍在争论它的实际价值 。 随着技术的每一次飞跃 , 以及每一台新的(更精密的)望远镜问世 , 哈勃常数都会“改变” 。 找到哈勃常数的精确值仍然是现代天文学最大的挑战之一 。
引力常数有时也被称为牛顿常数 , 是牛顿万有引力定律中使用的比例常数 , 用G表示 。 无论是在地球上、火星上 , 还是在几千光年之外的某个遥远的行星上 , 引力常数的值都不会改变 。
普朗克常数给出了粒子频率与其总能量之间的关系 , 这是物理学世界中的一个突破性发现 , 因为其中一个量是波的属性(频)) , 另一个是粒子的属性(能量) 。 因此 , 证明了物质的波粒二象性 , 并最终为量子物理学的发展铺平了道路 。
我们可以通过常数所代表的东西(物理量)来定义单个常数 , 但我们能否给几个常数赋予一个整体的定义(含义)?也就是说 , 我们需要用我们指定的单位来定义宇宙的某些量 , 比如米、牛顿、光年和焦耳 。
例如 , 引力常数的单位G是:

当G乘以两个物体的质量 , 再除以它们之间距离的平方 , 就得到了力的单位 , 牛顿(N) 。 这正是我们需要的 , 因为我们想知道两个物体之间的引力:

因此 , 常数的数值将取决于我们使用的单位系统 。
那么这是否意味着常数是人类构造的?绝对不是!这个定义是关于常数的作用 , 而不是常数是什么 。 此外 , 它也不能定义所有的常数 , 因为也有无量纲的常数 , 比如著名的圆周率π 。
圆周率是个无理数 , 并且是超越数 , 它出现在自然界的许多现象中 。 从DNA双螺旋结构 , 到扔石头时池塘的涟漪 , 到斑马条纹和豹斑图案 , 到著名的海森堡原理 , 到抗震建筑的结构 , 再到海浪的涨落——圆周率无处不在 。 它在宇宙运行的中心逐渐消失 , 并出现在最复杂的数学中 。
它是一个常数 , 没有单位 , 我们不知道为什么会这样 。
它们值是如何确定的?
有一些常数的值存在争议 , 误差总会存在 , 这取决于我们现有设备的准确性和灵敏度 。 常数不是科学家创造的 。 它们存在于宇宙中 , 我们只是通过反复的实验和观察来测量它们 。
还有一个问题更深入地探究了常数之谜 。 在1937年2月20日发表在《自然》杂志上的一篇论文中 , 著名物理学家保罗·狄拉克提出了一个至今仍令物理学家困惑不解的问题:如果我们纵观整个宇宙的历史 , 所有的常数真的都是常数吗?毕竟 , 我们所有的测量都是在地球上进行的 。 这里不变的东西在其他地方也是不变的吗?

  • 保罗·狄拉克的论文
然后有证据表明“质子质量与电子质量的比值”是不变的 。 多年来 , 在来自多个国家的众多研究小组 , 探索了可观测宇宙中最遥远的角落 , 仅仅是为了确定质子与电子的质量比是否会改变 。 每一次 , 结果都是一样的 。 质量比保持不变 。

推荐阅读