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物理学中的﹃魔数﹄

2021-01-14卢昌海

南方周末 2021-01-14
关键词:物理理论

南方周末特约撰稿  卢昌海

精细结构常数约等于1/137,因此137成为令许多物理学家着迷的数。

在“多宇宙”中,像精细结构常数那样的物理常数在每个宇宙中都有自己的数值。

★所有好的理论物理学家都将这个常数贴在他们的墙上,而且冥思苦想。它就是物理学中最大的、该死的谜团之一,一个出现在我们面前的无法理解的魔数:精细结构常数。

物理学中有一些很著名的常数,比如万有引力常数、光速、基本电荷、普朗克常数,等等。起码在目前看来,这些常数都很基本——也就是说,没有什么理论可以推导出它们的数值。但另一方面,这些常数的数值都跟物理单位的选择有关,就好比一个人身高的数值既可以是1.70,也可以是5.58,取决于所用的长度单位是米还是英尺。因此,这些常数虽然都很基本、也很著名,但对物理学家来说,其魅力——从某种意义上讲——却赶不上本文所要介绍的另一个常数。

这个常数叫作精细结构常数,它的魅力使很多物理学家着迷,有些人甚至称它为“魔数”——比如美国物理学家理查德·费曼曾经这样形容它:“所有好的理论物理学家都将这个常数贴在他们的墙上,而且冥思苦想……它就是物理学中最大的、该死的谜团之一:一个出现在我们面前的无法理解的魔数。”

“魔数”的起源

这个“魔数”的起源可以回溯到1916年。那时候,量子力学尚未诞生,物理学家们正处于一个被称为“旧量子论”的从经典物理往量子力学演进的过渡时期。在那个时期,原子光谱是一个热门研究领域,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔的原子模型,即所谓玻尔模型,则是该领域最重要的理论模型,因为它可对某些最简单的原子光谱——尤其是氢原子的光谱——作出定量解释。

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