物理常数是物理学中不可或缺的基石。这些数量无法仅透过理论推导出来,而必须依赖实验进行测量。与数学常数不同,物理常数的特点在于它们具有物理意义,例如真空中的光速c、重力常数G、普朗克常数h等。在科学界,物理常数的认可度颇高,对于理解宇宙的运行规则至关重要。
物理常数是我们理解自然界最基本的参数之一。
物理常数的特性在于它们的不可推导性。有些常数似乎呈现出其根本的性质,而有些则是受限于理论的限制。这就使得物理学家必须依赖实验来确定这些常数的值。例如,光速c最初被看作是光的属性,但随着马克斯威尔方程组的发现,这个数量与整个电磁系统相连结。当爱因斯坦的相对论出现后,光速更是成为因果关系的基础。
光速的根本性地位甚至使其成为国际单位制的长度单位的定义。
物理常数的数值与选择的单位系统密切相关。举例来说,光速在国际单位制中被定义为299792458米/秒,而在普朗克单位系统中则被定义为1。这显示出,尽管物理常数是固定不变的,其数值却依赖于单位的选择。因此,在研究中重要的是要区分物理量与其数值。
所有基本物理常数的总数取决于被认为是「基本」的物理理论。目前,我们有广义相对论解释引力,标准模型解释电磁和核相互作用,这两者综合起来涵盖了19个独立的基本物理常数。这些常数的认定并没有一个单一的「正确」方式,因为哪个常数是基本的,哪个是推导的,都是相对于特定理论来判定的。
基本物理常数的不变性是通过测量得出的实验结果。例如,保罗·狄拉克曾猜测重力常数和精细结构常数可能随着宇宙的年龄而改变。尽管有许多对于这些常数变化的实验,至今为止它们的值都被假设为独立于时间和位置的。
维度无关的物理常数是指同维度物理常数之间的比率,例如质子与电子的质量比。精细结构常数α是最知名的维度无关基本物理常数之一,它的存在引发了对于物理常数可推导性及不可推导性的讨论。
有些物理学家对于这样的观点进行探索,即如果维度无关的物理常数的值改变,我们的宇宙可能会变得如此不同,以至于智能生命可能无法出现。这引发了人类存在的意义问题:为什么我们的宇宙似乎为智能生命进化而精心调整?
安索普原则表明,作为能测量物理常数的智能生命,我们的存在要求这些常数的值使得我们能够存在。
物理常数的神秘性在于其无法用现有理论解释的特性,使其成为物理学研究中的一大挑战。随着科技的进步和实验技术的提高,或许未来能对这些常数有更深层次的理解,但问题仍然存在:在这些无法解释的常数背后,藏着什么样未解的真理?