为什么1/137是物理学中未解决的问题之一

担心数字是物理学家的工作，但有一个数字是物理学家最强调的。这个数字是 0.00729735256，大约1/137。这是精细结构常数，它在我们的量子物理方程中无处不在，我们仍在试图找出原因。

精细结构常数，用希腊字母α表示，看起来就像为我们的物理定律提供动力的众多自然常数之一，就像光速、引力常数或普朗克常数一样。但是这个数字有一些如此奇怪和如此引人注目的东西，以至于许多量子力学的创始人都对它着迷。

保罗·狄拉克称其为“物理学中最基本的未解决问题”，沃尔夫冈·泡利说：“当我死后，我向魔鬼提出的第一个问题将是：精细结构常数的含义是什么？”理查德·费曼一生都在思考它的奥秘，1985年他写道：“所有优秀的理论物理学家都把这个数字挂在墙上，然后担心它。”

这个数字为什么成为学者们痴迷的有价值的主题呢？我们先从它的发现故事开始。与许多量子力学主题一样，它始于我们观察电子在原子能级之间跳跃时产生的光。这个过程导致发射特定能量的光子，我们以光谱线的形式观察到。解释谱线是量子力学发展的主要驱动力，也是它最初的巨大成功之一。

首先是用玻尔模型解释氢线，然后是用薛定谔方程解释更重的元素。但有一个问题，随着我们测量设备的改进，我们看到单条谱线实际上与计算值略有偏差，而且每条谱线都显示为由能量几乎相同但不完全相同的两条谱线组成。

阿诺德·索末菲设法解释这种差异，他使用了爱因斯坦的相对论，以及具有相反自旋的电子的能级的相互作用而略微分离的事实。索末菲发现了一些奇怪的东西：细线之间的能量差异总是一个特定数字的倍数：电子电荷的平方除以 π、自由空间的介电常数、普朗克常数和光速。

我们在整个物理定律中经常看到了这些重要常数的组合。但这种特殊组合的奇怪之处在于它没有单位，我们只剩下一个纯数字，这个数字恰好是精细结构常数1/137.035999。这个数字不只出现在谱线精细结构分裂的公式中，它还在许多物理定律中出现，例如氢原子玻尔模型的基态电子的轨道速度比光速慢137倍，而这只是物理定律中精细结构常数出现的冰山一角。

没有明显的理由表明这些不同的属性比率都应该是1/137或137的某个幂。很明显，这个数字试图告诉我们一些关于宇宙的重要信息。为了探索它们，让我们来谈谈耦合。每当两个粒子彼此靠近时，它们就有可能发生相互作用，并且它们可以以多种不同的方式相互作用，我们可以使用费曼图将其可视化。

费曼图用于将粒子以可能发生的所有不同方式的相互作用的概率相加。这些概率取决于许多因素，例如粒子的位置和动量、自旋、电荷、质量等。这些因素乘以一种基本概率，得到相互作用的可能性。该基本概率来自相互作用的耦合常数或耦合强度，这正是精细结构常数的含义：它是电磁力的耦合强度。

所以精细结构常数设定了电磁力的“强度”。因此，精细结构常数出现在所有这些取决于电磁力的公式中开始变得有意义了。但大问题仍然存在：为什么α具有特性的值？事实上，精细结构常数并不像听起来那么恒定，它随着相互作用的能量而变化。能量越高，常数越大，在大爆炸之后的疯狂能量中，电磁场的耦合常数将接近1，但随着能量下降和力分离，它迅速下降到较低的值。我们现在处于能量尺度的底部，精细结构常数已触底，位于1/137.035999。

事实上，我们非常幸运。这个常数决定了原子的大小，值越大意味着电子更接近原子核，使它们结合得更紧密，参与化学键的能力也降低。较小的值将意味着电子的结合较不紧密，从而使原子和分子不太稳定。据估计，如果精细结构常数只有百分之几的差异，碳就永远不会在恒星内部形成，从而使生命变得不可能。

许多物理学家认为，这些常数是在宇宙开始时随机设定的。令人惊讶的是，它们恰好落在了允许生命形成的正确值上。