一些有深意的科学数字（一个神秘的数字决定了物理）

这是一个保守得很好的秘密，但我们知道生命、宇宙和一切的答案。不是42，而是1/137。

这个不变的数字决定了恒星是如何燃烧的，化学是如何发生的，甚至原子是否存在。物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)对此有所了解，称其为“物理学中最大的谜团之一：一个无法理解的神奇数字”。

现在它的谜团正在加深。有争议的暗示表明，这个数字可能不是我们假设的普遍常数，而是随着时间和空间的微妙变化而变化的。如果得到证实，这将对我们对物理学的理解产生深远的影响，迫使我们重新考虑关于现实结构的基本假设。虽然关于这些发现的真正意义的争论甚嚣尘上，但在实验室中深入研究宇宙和研究现实细密结构的实验，现在可能会给出一个明确的结论。

自然常数，比如光速、力和各种粒子的质量，可能不是那么恒定的观点，这一观点有着辉煌的历史。1937年，物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)写信给“自然”杂志，质疑天文学家阿瑟·埃丁顿(Arthur Eddington)从零开始计算常数的尝试。我们怎么能确定它们没有随着宇宙学时间的变化而改变呢？

精细结构常数，也称为阿尔法(alpha)，就是一个很好的例子。阿尔法位于狄拉克发起的理论的中心，费曼则致力于量子电动力学(QED)的研究。这是电磁力的量子理论，描述了光和物质之间的相互作用。阿尔法决定他们的力量。它本身是由光速，电子的电荷，π-很少有物理理论是完全没有π的-和其他几个基本常数构成的，经过仔细的安排，它只是一个纯粹的数字，不受人的影响：0.00729735，离1/137号接近。

只要稍微改变一下这个数字，你就能改变整个宇宙。它增加太多，质子相互排斥的力量太强，以至于小原子核不能结合在一起。再往前走一点，恒星内部的核聚变工厂就会停止运转，无法再产生碳，而碳正是生命赖以存在的基础。使阿尔法更小，分子键在较低的温度下分裂，改变了许多生命必需的过程。

一大把常量。

物理学家们的一个大难题是，我们的自然理论要求我们注入一组任意的数字，以使它们反映现实。这些数字似乎没有理由：它们就在那里，我们必须在实验中测量它们。

·粒子物理的标准模型需要至少19个这样的数字，包括精细结构常数、希格斯玻色子的质量，以及描述粒子质量和相互作用强度的一系列其它数字。

·要再现一般的物理，你必须加上引力常数(也叫“大G”)，光速和普朗克常数，它给出了量子物体的基本尺寸。

·标准的宇宙学模型需要另外12个参数，包括描述宇宙膨胀速率的哈勃常数，以及与暗物质和暗能量密度有关的因素。

至少在地球上，阿尔法保持在严格的范围内。实验室实验表明，变化最大的可能是百亿中的几个部分。这使得它比确定引力强度的常数“大G”精确100000倍。

但正如狄拉克所暗示的那样，也许电磁相互作用在过去是较弱或较强的，或者在宇宙的遥远部分是不同的。在物理学家们试图揭示关于现实的更深层次真相的努力陷入僵局之际，这一点可能很重要。“我们有一套基本的方程，这套方程已有半个世纪的历史，从未与任何测量方法相矛盾。”法国马赛艾克斯大学(UniversityofAIX-Marseille)的卡洛·罗维利(Carlo Rovelli)说，“如果我们发现一种与此不同的衡量标准，那将是一件大事：终于有了真正的新东西。”在意大利的里雅斯特天文台研究常数变化的保罗·莫拉罗(Paolo Molaro)对此表示赞同。他说：“如果出现变异，它们将揭示出新的物理现象。”

例如，这可能包括额外维度的存在。弦理论是对下一代物理学理论的有力支持，它提出了我们看不到的微小卷曲的维度的存在。对像阿尔法这样的东西有影响。剑桥大学的宇宙学家约翰·巴罗说：“如果你相信存在额外的维度，我们称之为常数的物理量的地位就会有所下降。”“如果真的有九或十维的空间，只有三个大的，那么自然界真正永恒不变的常量存在于总的维数上。我们观察到的三维阴影不是真的常数。”

对物理学家约翰·韦伯(John Webb)来说，二十年前，阿尔法变化的可能性几乎成了人们痴迷的话题。1996年，他是一个年轻的研究员，从澳大利亚访问巴罗，然后在苏塞克斯大学。开始讨论狄拉克对不定常数的思考。韦伯想知道，由我们一些最强大的望远镜收集的光是否可以解决这个问题。

立足点。

其中的一些光线已经传播了很长一段时间。夏威夷最高点莫纳克亚山顶上的凯克望远镜可以拍摄大约120亿年前极其发光的星系核心或类星体所发出的光。在它的地球之旅中，其中一些光已经穿过了吸收某些波长的气体云。这为阿尔法提供了一个至关重要的立足点。韦伯说：“如果你改变阿尔法，你就改变了电子和原子核之间的吸引力。”这改变了被给定原子吸收的波长，这意味着吸收光谱在光谱产生时产生了一种对阿尔法值唯一的条形码。

韦伯与新南威尔士大学的同事们开发了一种分析这些复杂吸收光谱的新方法，并将其应用于类星体数据。到1998年，他和他的合作者，已经有了他们的第一个结果：在120亿到60亿年前，阿尔法的平均增长率是百万分之六。在当时，这还不足以对物理学产生重大影响。但这是个改变。

这是一个耸人听闻的结果，很少有人相信--也许有充分的理由。“寻找不同的阿尔法证据在技术上是非常困难的，”巴罗说(Barrow)。在分析中只有23个光谱，它们都来自凯克望远镜，这就增加了仪器中的系统错误可能会扭曲数据的可能性。

这是一场旷日持久的猫捉老鼠游戏的开端。韦伯和一组不断变化的合作者将发表一份新的分析报告，使用新的或不同的数据显示一个变化，而其他一些小组将反驳这一结果。每一次，韦伯的团队都在为自己寻找系统错误的根源而驳斥这些反驳。与此同时，他们还获得了另一台望远镜的数据，那就是位于智利安第斯山脉高处的甚大望远镜(VLT)。

他们关于阿尔法的最新发现是，它随着距离地球的距离而逐渐和近似线性地变化。韦伯说：“如果我们旅行的距离与宇宙大爆炸以来光所走过的距离相对应，我们就会发现自己处在一个物理刚刚开始明显不同的地方。”然而，宇宙自大爆炸以来一直在膨胀，因此宇宙的扩展甚至更远。线性进展表明，在这些看不见的区域，阿尔法可能变化得足够大，以至于宇宙本身会开始变得非常不同。韦伯说：“那里的情况可能很不一样，我们所知道的生命不可能存在。”

他承认，这仍然具有很高的投机性。数据的误差幅度很大，随着更好的测量，这种变化可能会消失。

澳大利亚斯温伯恩大学(Swinburne University)的迈克尔·墨菲(Michael Murphy)当然认为会这样。墨菲已经从事阿尔法项目多年，韦伯是他的博士导师。除了韦伯，没有人对硬件、数据或分析技术有更好的了解。2014年，墨菲声称最终发现了一个错误，该错误推翻了关于阿尔法变量的说法。

他和斯温伯恩大学的同事乔纳森·惠特莫尔(Jonathan Whitmore)意识到，校准他们的分析仪器所用的灯发出的光并不像宇宙光那样曲折。当他们用附近的天文天体(如太阳、类太阳恒星或反射光线的小行星)发出的光重新校准仪器时，结果就改变了。墨菲说：“我们发现它扭曲了光谱，将一些线移向其他线，而另一些线则偏离其他线，这取决于你在光谱中的位置。”这就足以制造出一个变化的阿尔法的假象。

2017年，韦伯与加州大学伯克利分校的文森特·杜蒙特合作，驳斥了这一说法。他们声称，数据分析是有缺陷的，并且只适用于从VLT得到的结果的子集，而不是来自凯克的原始结果。墨菲承认了这一点，但他表示，他对这些结果的信心受到了“破坏”。

然而，他并没有走开。“我们仍然不理解基本常数：动机没有改变。”他说，“我们应该尽可能最好地测量这些东西，无论我们在哪里。我们只需要在未来以不同且更好地的方式去做一些事情。”

这种情况已经在发生。新的实验旨在实验室中比以往任何时候都更精确地测量阿尔法。同时，在11月份，一种关于VLT的新仪器将上线，用于岩石外行星和稳定光谱观测的Echelle光谱仪，或称ESPRESSO。在墨菲的估计中，它是用来测量类星体光谱的梦幻机器。他说：“这是一台超稳定的摄谱仪，它将解决这个问题。”

“它可能在宇宙的某些部分是如此的不同，以至于我们所知道的生命不可能存在。”

该仪器的首席研究员弗朗西斯科·佩佩(Francesco Pepe)表示，ESPRESSO的操作并非一帆风顺 - 他们首先必须对其进行校准，并且通常能够掌握它。“我们的感觉是，到2019年年底，我们将能够确认或排除目前声称的精细结构常数[阿尔法]在百万分之几的水平上的变异性，”他说。ESPRESSO应该能够搜索过去100亿年的变化，并探索整个可观察到的宇宙。“我认为现在取得重大进展的前景非常好。”巴罗说。

与此同时，韦伯在科学方面是盲目的。从类星体光谱中得出阿尔法的值，涉及到对光谱的哪些部分包括的主观决策。有时候，人们很容易忽略光谱中一些不“有趣”的区域，因为它们的吸收线太少，但这些简化可能会扭曲结果。为了避免这种情况，韦伯和学生马修·班布里奇创建了一种机器学习算法，对原始数据进行彻底、客观的观察。韦伯说：“我们已经改变了所有的手工决策，并把这个问题抛给了一系列的超级计算机。”

只有在机器进行了1000次测量之后，他才会看到结果，这是一个“密封的信封”，消除了淡化不符合假设的单个测量的诱惑。韦伯说，目前袋中大约有500项测量，这项工作应该和ESPRESSO的分析差不多同时完成。

尽管存在争议，约翰·韦伯(John Webb)关于常数阿尔法变体的开创性工作，使宇宙自然法则可能不是恒量的，而是在空间和时间上变化的这一观点成为主流。

今年6月，美国国家标准与技术研究所的查尔斯·克拉克(Charles Clark)和他的同事们提出了一套实验室实验方案，可以寻找物理常数的变化。一个简单的方法是同步两个原子钟，观察同步是否会随时间漂移。

这些实验可能提供一个黄金标准，可以用来比较未来任何关于变异的说法，并提供线索，帮助物理学家超越粒子物理的标准模型。粒子物理是我们目前对宇宙如何运行的最一致的描述。克拉克说：“我们知道，标准模式肯定会在某个地方失败。变化与流行的物理学理论是不一致的。”

今年早些时候，这些实验提供了迄今为止地球上最精确的阿尔法测量结果。加州大学伯克利分校的Holger Müller和他的同事们观察了光子和铯原子之间的相互作用，从而将阿尔法值降低到十亿分之一以上。这是接近排除某些建议后标准模型物理。而且还会有更多的事情要发生。穆勒说：“我们正在进行一项新的实验，相信在未来几年内，我们可以获得一个数量级的数据。”

但是韦伯认为陆地实验是错误的。他说，阿尔法的任何变化都可能只有在宇宙学的时间尺度上才能检测到。韦伯说：“例如，早期宇宙的变化是迅速的，但今天几乎没有变化。如果是这样的话，地面实验永远不会发现任何变化，无论多么精确。”