T2020年诺贝尔物理学奖授予了三位研究人员，他们证实了爱因斯坦的广义相对论可以预测黑洞，并证实了我们银河系的中心有一个超大质量黑洞，在一个相对较小的空间里容纳了相当于400万个太阳的黑洞。除了扩大我们对黑洞的理解，超大质量黑洞周围的强引力场是一个在极端条件下研究自然的实验室。研究人员，包括一位新诺贝尔奖得主，安德里亚Ghez在加州大学洛杉矶分校(UCLA)，他测量了强烈的引力如何改变精细结构常数，这是定义物理宇宙的自然常数之一，在这种情况下，也定义了其中的生命。这项研究扩展了其他正在进行的努力，以了解这些常量以及它们是否在空间和时间中变化。希望能找到解决基本粒子标准模型和当前宇宙学问题的线索。
除了盖兹，2020年的其他诺贝尔奖得主还有剑桥大学的罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)，他加深了我们对黑洞的理论理解;以及德国加兴马克斯·普朗克地外物理研究所的Reinhard Genzel。盖兹和根泽尔进行了平行但独立的观测和分析，从而推断出我们银河系超大质量黑洞的存在。在27000光年之外，要获得可靠的数据需要巨大的望远镜。盖兹在夏威夷莫纳克亚山上的凯克天文台工作，詹泽尔使用的是智利的超大望远镜。每个研究人员都发现，他们观测到的恒星的运动源自星系中心的巨大质量。他们得到了同样的结果，在一个只有我们太阳系那么大的区域，是太阳质量的400万倍——这是超大质量黑洞的确切证据。
盖兹在凯克的研究使她成为合著者一篇论文中巴黎天文台的Aurélien Hees和13位国际同事发表了银河系超大质量黑洞附近的精细结构常数的结果。值得注意的是，盖兹的诺贝尔奖获奖结果支持了这项研究，它将当今的理论和天文技术与约翰内斯·开普勒和艾萨克·牛顿的想法结合起来，研究了超大质量黑洞附近恒星的运动。这是牛顿关于科学如何发展的见解的另一个例子。他在1675年写道:“如果说我看得更远，那是因为我站在巨人的肩膀上。”
黑洞附近强引力中的常数可能是修改标准模型的线索。
德国天文学家开普勒就是这样一位伟人，他在1609年提出了行星运动定律，从而改变了科学。他是第一个证明行星并非如人们所认为的那样，以神圣的完美轨道围绕太阳运行的人。轨道是椭圆，太阳在椭圆的焦点，两个点中的一个对称地偏移了中心，定义了如何构建一个椭圆。开普勒还发现了行星轨道的大小和行星完成一圈所需时间之间的数学关系。
1687年，牛顿为开普勒定律提供了更深入、更连贯的物理基础。基于物体之间相互吸引的牛顿万有引力定律表明，一个天体在一个物体周围的闭合轨道上遵循一个取决于该物体的椭圆路径。这个结果是盖兹发现超大质量黑洞质量的核心，今天将在天文学入门课上讲授这个结果。她多年的仔细观察，精确地确定了恒星围绕银河系中心的椭圆轨道;然后她用牛顿的理论来计算中心的质量(广义相对论取代了牛顿定律，预测了黑洞，但牛顿的方法对超大质量黑洞周围的恒星轨道足够精确)。这些轨道的知识对于测量超大质量黑洞附近强引力下的精细结构常数至关重要。这个常数是如何依赖于引力的，这可能是修改标准模型或广义相对论来处理暗物质和暗能量的线索，这是当代物理学的两大难题。
T他的特殊检验符合对自然基本常数的更大的、长期的检验，每个基本常数都告诉我们一些关于我们最深层理论的范围或规模的东西。与其他常数一起，精细结构常数(用希腊字母α表示)出现在标准模型中，即基本粒子的量子场论。α的数值定义了光子和带电粒子通过电磁力相互作用的强度。电磁力与引力、强核力和弱核力一起控制宇宙。在它的影响中，电磁决定了质子之间的排斥程度和电子在原子中的行为。如果α的值与我们所知道的有很大的不同，这将影响恒星内部的核聚变是否产生碳元素，或者原子是否能形成稳定的复杂分子。两者都是生命所必需的，这是α重要的另一个原因。
其他常量代表其他主要的物理理论:c在相对论中，光速在真空中是至关重要的;h，由马克斯·普朗克(Max Planck)推导出的常数(现在被称为“h-bar”，或ħ＝h／2π)，设定了量子效应的微小尺寸;和G牛顿理论和广义相对论中的引力常数，决定了天体之间的相互作用。1899年，普朗克仅仅用这三种方法来定义一个基于自然属性而不是任何人为因素的通用测量系统。他写道，这个系统“对于所有时代和所有文明，无论是外星文明还是非人类文明”都是一样的。
它提出了这样一个概念:在众多的多元宇宙中，我们存在的多元宇宙才是具有获胜价值的多元宇宙。
普朗克推导出长度、时间和质量的自然单位c，ħ,G：lP= 1.6 x 10-35年米,TP= 5.4 x 10-44年秒,米P= 2.2 x 10－8公斤。因为太小而不实用，它们具有概念上的分量。在当今的宇宙中，基本粒子之间的引力相互作用太弱，无法影响它们的量子行为。但是把这些物体放在一个微小的普朗克长度lP除此之外，小于基本粒子的直径，它们的引力相互作用变得足够强大，足以与量子效应相抗衡。这就定义了“普朗克时代”-44年当时引力和量子效应的强度相当，需要一个量子引力的结合理论，而不是我们今天拥有的两种独立理论。
然而，对于一些物理学家来说，c，ħ,G它们不是真正的基础，因为它们依赖于度量单位。例如，考虑一下c公制单位是299792公里/秒，而英语单位是186282英里/秒。这表明物理单位是文化结构，而不是自然固有的(1999年，美国宇航局的火星气候轨道器致命坠毁，因为两个科学团队忘记检查对方使用的测量系统)。然而，作为纯数字的常量可以在不同文化之间完美地转换，甚至在我们和外星人之间用难以想象的不同度量单位进行转换。
精细结构常数α具有这种有利的纯度。1916年，当氢原子中的单个电子在量子能级之间跳跃时，它出现在对发射或吸收的光波长的计算中。尼尔斯·玻尔早期的量子理论预测了主要波长，但光谱显示了额外的特征。为了解释这些，德国理论家阿诺德·索姆菲尔德(Arnold Sommerfeld)将相对论加入了氢原子的量子理论。他的计算依赖于一个他称之为精细结构常数的量。它包括ħ，c，电子上的电荷e，自然的另一个常数;和介电常数ε0这代表了真空的电学性质。值得注意的是，这个奇数集合中的物理单位相互抵消，只留下纯数字0.0072973525693。
索默菲尔德只是把α作为一个参数，但它在20世纪20年代末名声大噪，当时它在法国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)关于相对论量子力学的高级著作中再次出现，然后在英国天文学家阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)希望成为的《万有理论》(Theory of Everything)中再次出现。他计划将量子理论和相对论结合起来，推导出宇宙的性质，如基本粒子的数量，以及其中的常数α。
爱丁顿方法的一个转折是，他考虑的是1/α而不是α，因为他的分析表明，它必须是一个整数，同时也是一个纯数。这与当时的测量结果一致，当时的测量结果是1/α = 137.1，非常接近137。爱丁顿的计算结果是136，接近到足以引起人们的兴趣。然而，进一步的测量证实1/α = 137.036。爱丁顿试图证明他的不同结果是没有说服力的，由于这个和其他原因，他的理论没有幸存下来。
但α和“137”仍然有联系，这就是为什么理查德·费曼称137为“神奇数字”。他的意思和命理学没有任何关系。而是我们知道如何测量α的值，但不知道如何从我们知道的任何理论中得出它。这对其他基本常数也是正确的，包括纯数字，如质子和电子质量的比率，而这是标准模型中所缺少的。然而，α值在量子电动力学，即电磁学的量子理论中是至关重要的。费曼完全理解这一点，因为他和另外两位理论家因为发展量子电动力学而获得了1965年的诺贝尔奖。
因此，α被认为是自然界的重要常数之一。现在，这些量的值已经准确地知道了，物理学家问，它们真的是常数吗?1937年，对宇宙力的思考促使狄拉克推测α和G随着宇宙的老化而随时间变化。另一个有启发性的、甚至更古老的猜测是，想知道这些常数是否在宇宙中有所变化。1543年，当波兰天文学家哥白尼(Nicolaus哥白尼)把太阳而不是地球放在宇宙的中心时，他把人类从其特殊的宇宙位置移走了。这意味着宇宙在任何地方都是一样的，但这只是一个假设。
V不断变化的“常数”将会改变标准模型和基于标准模型和广义相对论的宇宙学，而广义相对论和其他问题都无法解释暗物质和暗能量。再加上α在宇宙是“微调”以支持生命这一概念中的作用，以及在众多多元宇宙中，我们存在的那个多元宇宙是具有α值的。所有这些都推动了对自然常数的研究，其中大部分集中在α上。
地球上的测量证实，α固定在数百亿分之一以内。一个更有挑战性的项目是在天文距离上测量它。这也决定了早期宇宙时期的α，因为来自数十亿光年之外的光从一个更年轻的宇宙到达我们需要很多年。自1999年以来，澳大利亚新南威尔士大学的约翰·韦伯(John Webb)和他的同事们一直在通过收集来自遥远星系核心——类星体——的光来进行这样的测量，在那里黑洞吸收了发光的尘埃。这些光穿过星际气体云，并以气体云中原子所特有的波长被吸收。通过对波长的分析，可以得出在遥远位置的α，就像地球上的氢波长首次定义了α一样。
这些结果暗示了哥白尼的观点，即在非常大的尺度上，宇宙在任何地方看起来都是一样的。
韦伯的早期结果显示，α在过去60亿年或更久的时间里增加了0.0006%，这取决于与地球的距离。2020年发表的结果显示，从现在到130亿年前，宇宙只有8亿岁，α的变化较小，作者解释为“与没有时间变化一致”。累积结果也表明α在空间上沿不同方向变化。总的来说，实验误差太大，无法让人相信α中任何单个测量的变化都是完全正确的，但这些变化肯定是非常小的。
现在α也被测量到在强引力场中，理论上它可以改变。我们所知道的最强引力来自黑洞，在那里航天器必须达到无法达到的光速才能逃脱。但白矮星也有强大的引力，这是一种将其外层排出，留下一个大质量但只有行星大小的核心的恒星。2013年，新南威尔士大学(University of New South Wales)的J.C. Berengut和韦伯等人分析了一颗白矮星的光谱数据，获得了α相对于地球的0.004%的变化。
然而，在今年Hees和包括Ghez在内的合著者的工作之前，还没有人在超大质量黑洞附近测量到α。凯克的研究结果帮助她选择了五颗恒星，它们的轨道使它们靠近超大质量黑洞，以最大限度地发挥其引力效应，而且由于周围的恒星大气，这五颗恒星的光谱显示出强烈的吸收特征。这有助于从每个恒星的吸收波长中得出α。最终的合成结果再次显示，α的变化很小，与地球相比只有0.001%或更少。
虽然α的测量值变化很小，但对超大质量黑洞引力场中不同位置的5颗恒星的测量结果带来了新的结果;他们允许对理论预测的早期测试，即α的变化与引力势的变化成正比，引力势是存储在引力场中的能量。结果证实了这两个量是成比例的，但数据中的不确定性仅支持对比例常数的粗略估计。一个更可靠的值可以在几种新的暗物质和暗能量理论中选择。
目前，在时间和空间以及重力作用下，α的测量变化太小或不确定，无法指导物理学家提出新的理论，甚至无法引发诸如在遥远的宇宙或黑洞附近存在生命之类的猜测。这些微小的变化暗示了哥白尼的观点，即在非常大的尺度上，宇宙在任何地方看起来都是一样的，尽管更多的测量可以证实，宇宙之间确实存在着微小的差异，这可能是有意义的。
知道在一个动态的宇宙中，这个特定的宇宙数保持稳定，或许是一种安慰。但在银河系超大质量黑洞附近观测到α的更大变化，可能是新物理学的起点。正如Hees在电子邮件采访中所描述的，他现在的目标是深入黑洞的引力场。他计划在2021年实施新的优化的测量”观察恒星靠近黑洞,因此,经历了一个更强的引力势……但与当前技术,是不容易得到好的光谱观测超级接近黑洞的恒星。”尽管如此，他相信他可以将测量误差减少10倍。
盖兹所进行的世界级诺贝尔奖工作依赖于观测和光谱技术的巨大改进。很有可能，在这个成功项目的基础上进一步改进，将加强对超大质量黑洞的研究，这是一个独特的领域，可以研究α中那些难以捉摸的变化，以及它们对我们理解宇宙的意义。
Sidney Perkowitz是埃默里大学Charles Howard Candler物理学名誉教授。他最近的书是物理学:一个非常简短的介绍,真正的科学家不打领带。他正在工作科学的草图。
主导图像:这幅插图描绘了银河系中心超大质量黑洞的疯狂活动，该黑洞被称为人马座A*，或Sgr A*。来源:ESA-C。Carreau /美国国家航空航天局
