理解宇宙？這些數是鑰匙

物理學中的那些常數

在你心目中，物理學規律是什么樣子的呢？它們都是一些干巴巴的公式或方程，對吧，比如浮力定律、牛頓第二定律、萬有引力定律、歐姆定律等等。在公式里，一些是代表物理量的符號，另一些則是不變的常數。比如萬有引力定律F=（Gm1m2）/r2，其中m代表物體質量，r代表兩物體之間的距離——這些都是可變的。但G卻是不變的，叫萬有引力常數。

整個物理學中有很多這樣的常數，像光速，還有一旦涉及量子世界就少不了的普朗克常數，以及表征各種基本粒子質量和基本作用力強度的常數，等等。

但是，這些常數大多數都是有單位的，單位變，數值也跟著變。例如光速是300000千米/秒，但如果用英里每秒作單位的話，就是186000英里/秒。你的體重可以是120斤，也可以是60千克。單位一變，數值就跟著變，說明還“常”得不夠徹底。對于這類常數，如果你只知道大小、不知道它的單位，就沒有任何意義。

什么樣的常數才算“常”得徹底呢？當然是那些跟單位無關的常數。比如幾何上的圓周率π，跟單位是完全無關的。因為圓周率是從圓周長和直徑之比得到的，圓周長和直徑都是長度單位，一比，單位就消掉了，只剩下一個純粹的數字。

我們的宇宙是由粒子、粒子間的相互作用和時空結構構成的，時空是一個不斷變化的舞臺，宇宙的演化就在這個舞臺上徐徐展開，而粒子就是參與者。所以，要想理解宇宙，就必須要知道宇宙存在的初始條件和關于粒子的各種信息，這些信息指的就是描述所有相互作用強度和所有粒子物理性質的基本常數。

在粒子物理學的標準模型中，需要至少19個這樣的常數，包括精細結構常數α、希格斯玻色子的質量等一系列表征基本粒子質量和相互作用強度的常數。

在標準的宇宙學模型中，需要9個常數，包括描述宇宙加速膨脹率的宇宙常數。

粒子的質量

我們目前發現的基本粒子一共有62種，分為12種輕子、36種夸克、4種玻色子、8種膠子、光子和引力子。其中，引力子還只是一個假設，并沒有真正被探測到;光子和膠子的靜止質量為0。在12種輕子中，一半是正粒子（比如電子），一半是反粒子（比如正電子），而正粒子和反粒子的質量相同，因此我們只需要6個代表輕子質量的常數。

與輕子類似，雖然夸克有36種，但我們只需要6個代表夸克質量的常數。玻色子又分為希格斯玻色子、Z玻色子、W+玻色子和W-玻色子，由于W+玻色子和W-玻色子的質量相同，我們僅需要3個代表玻色子質量的常數。這樣算下來，一共是15個粒子質量常數。

耦合常數

耦合指的是兩個事物之間存在的一種相互作用、相互影響的關系，而耦合常數就是粒子之間相互作用的強度。自然界有四種相互作用力：強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和萬有引力。把質子和中子約束在原子核中需要強相互作用力，創造恒星和銀河系需要萬有引力，構造原子需要電磁相互作用力（電子圍繞原子核旋轉需要電磁力），而弱相互作用力也是研究宇宙所必不可少的，它造成了物質的衰變。因此，我們需要能描述這4種相互作用強度的常數。

其中，電磁相互作用的強度常常用精細結構常數來表示，它的數值約為1/137。別問我為什么是這個數，因為科學家們也沒搞明白原因，他們還給這個數字起了個外號，叫做“上帝的數”。這個外號足以表明科學家們的困惑（這個常數如此重要，以至于我們在下文中要專門展開）。

萬有引力是兩個有質量物體間的吸引力，這個力的大小與它們質量的乘積、距離和萬有引力常數有關。目前，萬有引力常數為6.672×10-11N·m2/kg2，這個數值是測量的結果。

強相互作用的耦合常數約為1.214，這個數能夠告訴我們，中子和質子間結合力的強度，以及原子分裂時，它可以釋放多少的能量。弱相互作用力是由W及Z玻色子的交換引起的，不同的玻色子造成的強度也不同，因此弱相互作用力耦合常數有兩個，不過，目前還沒有特別精確的弱耦合常數測量值。

這樣算來，耦合常數共有5個。

中微子振蕩和夸克相互轉換

中微子屬于輕子，也是基本粒子，目前已知的中微子有三種，分別是t中微子、μ中微子和電子中微子，它們不帶電，質量非常輕，可以輕松穿過人體、建筑、甚至地球。大多數粒子在物理變化和核反應過程中都伴有中微子的產生，比如：核反應堆發電、太陽發光、宇宙射線等。中微子只受萬有引力和弱相互作用力的影響，由于中微子與其他物質的相互作用十分微弱，大約在100億個中微子中才有一個會與物質發生反應，因此中微子的檢測十分困難。

20世紀60年代，物理學家們在美國南達科他州的一個1500米深的礦井中，安置了一個裝有近40萬升四氯乙烯的儲液罐。他們預計太陽發出的中微子會被氯37原子核內的中子吸收，使后者變成一個質子，并釋放出一個電子，然后，氯37就變成了氬37。物理學家想辦法數一數產生了多少氬37，就會知道這個裝置吸收了多少中微子。

然而，科學家通過這個裝置得到的太陽中微子流量僅為理論值的三分之一，這就是著名的太陽中微子問題。科學家們后來找到了問題的原因，原來太陽中微子（即電子中微子）會在來地球的途中偷偷“整容”，轉換成其他兩種中微子，而專門用來捕獲太陽中微子的裝置檢測不到其他兩種中微子，這個轉換的現象被稱為中微子振蕩。物理學家們設計出了描述中微子振蕩現象的公式，由于這個公式太過復雜，我們只需要知道，該公式需要4個常數，來推導出三種中微子之間的變換。

目前，我們已知的夸克有6種，這些夸克分為兩類，其中上夸克、粲夸克、頂夸克為上型夸克，下夸克、奇異夸克、底夸克為下型夸克。與中微子振蕩類似，夸克在弱相互作用下，上型夸克和下型夸克會互相轉變，共有9種組合。例如，上夸克可以轉變成下夸克、奇異夸克和底夸克。意大利物理學家卡比博和日本物理學家小林誠、益川敏英設計出了CKM矩陣（CKM為三人姓式首字母），來描述夸克之間的轉變，CKM矩陣同樣需要4個常數。

那么我們為什么需要上述的8個常數呢？

通常，我們認為宇宙是守恒的，即在任何反應的前后，一些特定的量是維持恒定不變的。例如，正電子和負電子的電量相等但電性相反，此時電荷總量為0，正負電子碰撞會湮滅，電荷總量仍為0。按理說，在產生宇宙的大爆炸發生后，物質和反物質（正常物質的反狀態）在數量上應該是對等的。然而，實際情況卻不這樣，我們的宇宙被物質充斥，反物質卻無處可尋，它們只出現于放射性衰變、粒子對撞或屈指可數的其他物理過程中。物質與反物質不對稱的問題至今是宇宙的未解之謎，而中微子振蕩和夸克混合也許能夠解答這個問題，它們表明一種物質可以直接轉換為另一種物質，不遵循守恒的定律，因此這兩種物理現象十分重要，為了理解這兩種轉變，我們需要這些常數。

宇宙常數

天文學家們通過觀察發現，所有星系之間的距離都在增加，宇宙正在膨脹。因為各星系之間存在引力，所以人們一度認為膨脹的速度會漸漸慢下來。然而在1998年，科學家們觀測到星系的速度更快了，也就是說，宇宙不只在膨脹，還在加速膨脹。為了解釋宇宙的這種現象，物理學家引入了一個全新的宇宙力量——暗能量。暗能量并不是真正的能量，因為能量是指具有引力效應的東西，比如：物質、反物質、暗物質，而暗能量正好相反，它具有斥力效應，這種斥力能夠使整個宇宙都加速膨脹。

在愛因斯坦提出廣義相對論的時候，物理學界普遍認為，宇宙是靜態穩定的，既不膨脹也不收縮。因此，愛因斯坦在著名的引力場方程里，加上了一個宇宙常數，為了能夠維持一個靜態的宇宙。但是現代測量宇宙學之父埃德溫·哈勃發現了宇宙膨脹，于是，愛因斯坦懊悔不已，將宇宙常數從引力場公式中刪去了。然而，科學家們為了解釋宇宙的膨脹，將宇宙常數又重新加入公式中，來代表宇宙膨脹的程度。

如果我們將物理學定律、宇宙的初始條件和這些常數給物理學家，他們就能夠模擬出宇宙。但是宇宙中仍存在一些謎題，它是一個錯綜復雜和令人驚奇的地方，在現實中，我們對宇宙了解的越多，就越需要更多的參數來全面描述它。物理學的發展就在于不斷提出新的概念，來修正理論假設和實際觀測之間的出入，最終建立出一套可以自洽的數學模型。也許在未來，一些關于宇宙的物理學理論會發生變化，我們所需要的常數也會完全不同。