物理学家确定了塑造宇宙的“神奇数字”gydF4y2Ba

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一个gydF4y2BaS基本常数，光速，gydF4y2BacgydF4y2Ba，享有所有的名声，但gydF4y2BacgydF4y2Ba的数值与自然毫无关系;不同的单位是米每秒还是英里每小时。相比之下，精细结构常数没有尺寸或单位。这是一个将宇宙塑造到惊人程度的纯数字——正如理查德·费曼(Richard Feynman)所描述的那样，“一个我们无法理解的神奇数字”。保罗·狄拉克认为这个数字的起源是“物理学中最根本的未解决的问题”。gydF4y2Ba

从数字上看，精细结构常数，用希腊字母α (α)表示，gydF4y2Ba非常接近于1/137gydF4y2Ba．它通常出现在关于光和物质的公式中。“就像在建筑中一样，有黄金比例，”埃里克·康奈尔(Eric Cornell)说，他是科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado, Boulder)和国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)的诺贝尔物理学奖得主。他说，“在低能物质的物理学中——原子、分子、化学、生物——总有一个比例”。“这些比率往往是精细结构常数的幂。”gydF4y2Ba

“三倍是一件大事。让我们不要羞于称这是一项巨大的成就。”gydF4y2Ba

这个常数无处不在，因为它描述了电磁力的强度影响带电粒子，如电子和质子。“在我们的日常世界里，一切要么是引力，要么是电磁。这就是阿尔法如此重要的原因，”加州大学伯克利分校的物理学家霍尔格Müller说。因为1/137很小，所以电磁较弱;结果，带电粒子形成了空原子，空原子的电子在一定距离内绕轨道运行，很容易跳开，形成化学键。另一方面，这个常数也刚好足够大:物理学家认为，如果它是1/138这样的东西，恒星就不能产生碳，我们所知道的生命也就不存在了。gydF4y2Ba

物理学家或多或少已经放弃了一个世纪以来对阿尔法的特定值从何而来的痴迷;他们现在承认，基本常数可能是随机的，由宇宙诞生时的掷骰子决定。但一个新的目标占据了上风。gydF4y2Ba

物理学家想要尽可能精确地测量精细结构常数。因为它无处不在，精确地测量它可以让他们测试基本粒子之间相互关系的理论——一套被称为gydF4y2Ba粒子物理的标准模型gydF4y2Ba．相关量的超精确测量结果之间的任何差异，都可能指向标准方程没有解释的新粒子或效应。康奈尔大学称这种精密测量与粒子对撞机和望远镜一起，是通过实验发现宇宙基本运行规律的第三种方法。gydF4y2Ba

在一个新的gydF4y2Ba纸gydF4y2Ba在gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba，巴黎卡斯特勒·布罗塞尔实验室(Kastler Brossel Laboratory)的一个由Saïda Guellati-Khélifa领导的四名物理学家组成的团队报告了迄今为止对精细结构常数最精确的测量。该研究小组测量了该常数的值到小数点后11位，报告称α = 1/137.035999206。gydF4y2Ba

新测量方法的误差仅为万亿分之一81，比之前的方法精确了近三倍gydF4y2Ba以前最好的测量gydF4y2Ba在2018年由伯克利分校Müller的团队发起，这是主要的竞赛。(在2011年Müller之前，Guellati-Khélifa做了最精确的测量。)Müller表示，他的竞争对手对阿尔法的新测量方法，“三倍是一件大事。让我们不要羞于称这是一项巨大的成就。”gydF4y2Ba

Guellati-Khélifa在过去的22年里一直在改进她的实验。她通过测量铷原子吸收光子时的反冲强度来测量精细结构常数。(Müller对铯原子做了同样的研究。)反冲速度揭示了铷原子有多重，这是用精细结构常数的简单公式最难衡量的因素。Müller解释说:“最不精确的测量总是瓶颈，因此任何这方面的改进都会导致精细结构常数的改进。”gydF4y2Ba

巴黎的实验人员首先将铷原子冷却到几乎绝对零度，然后将它们放入真空室。当原子云下降时，研究人员使用激光脉冲将原子置于两种状态的量子叠加——被光子踢和没有踢。每个原子的两个可能版本都沿着各自的轨道运行，直到更多的激光脉冲把叠加的那一半重新拉到一起。一个原子被光踢的时候越是反冲，它与自身未被光踢的那个原子的相位就越不一致。研究人员通过测量这种差异来揭示原子的反冲速度。Guellati-Khélifa说:“我们从反冲速度中提取出原子的质量，而原子的质量直接与精细结构常数的测定有关。”gydF4y2Ba

在这样精确的实验中，每个细节都很重要。新论文的表1是一个“误差预算”，列出了影响最终测量的16个误差和不确定性来源。其中包括重力和地球自转产生的科里奥利力——两者都经过了精心的量化和补偿。大部分的误差预算来自于激光的缺点，研究人员花费了数年时间来完善这些缺点。gydF4y2Ba

对于Guellati-Khélifa来说，最难的部分是知道何时停止并发布。她和她的团队在2020年2月17日那一周停止了工作，当时冠状病毒正在法国站稳脚跟。必威体育西汉姆官网对于“决定出版是否就像画家决定画好一样”的提问，Guellati-Khélifa回答说:“完全正确。完全正确。没错。”gydF4y2Ba

令人惊讶的是，她的新测量结果与Müller 2018年的结果相差十位数，比两种测量方法的误差幅度都大。这意味着——排除铷和铯之间的一些基本差异——其中一个或两个测量都存在一个无法解释的误差。巴黎组的测量更精确，所以目前它是优先的，但两组都将改进他们的设置，并再次尝试。gydF4y2Ba

尽管这两种测量值不同，但它们与通过精确测量电子而推断出的值非常吻合gydF4y2BaggydF4y2Ba-因子，一个与它的磁矩或电子在磁场中所经历的转矩有关的常数。你可以把精细结构常数和gydF4y2BaggydF4y2Ba-用大量的数学因素，”康奈尔说。“如果(标准模型的)方程中缺少任何物理效应，我们就会得到错误的答案。”gydF4y2Ba

相反，测量结果非常吻合，在很大程度上排除了这种可能性gydF4y2Ba一些关于新粒子的建议gydF4y2Ba．最好的人之间的约定gydF4y2BaggydF4y2Ba-factor的测量和Müller 2018年的测量被誉为标准模型的最大胜利。Guellati-Khélifa的新结果更加匹配。“这是理论和实验之间最精确的一致，”她说。gydF4y2Ba

然而，她和Müller都已着手进一步改进。伯克利的研究小组已经改用一种新的激光，它的光束更宽(使它能更均匀地击中铯原子云)，而巴黎的研究小组计划替换他们的真空室，以及其他一些东西。gydF4y2Ba

什么样的人会为这么少的改进付出这么大的努力?Guellati-Khélifa列出了三个特质:“严谨、热情和对自己诚实。”Müller也回答了同样的问题:“我觉得这很令人兴奋，因为我喜欢制造闪闪发光的机器。我喜欢把它们应用到重要的事情上。”他指出，没有人能单独建造一个像欧洲大型强子对撞机那样的高能对撞机。但是通过建造一个超精确的仪器而不是一个超能量的仪器，Müller说，“你可以做与基础物理相关的测量，但需要三到四个人。”gydF4y2Ba

Natalie Wolchover是gydF4y2Ba广达电脑gydF4y2Ba自然科学杂志。gydF4y2Ba