自然常数漫谈

【英国《新科学家》周刊9月7日一期文章】题：变化之谜（作者　约翰·巴罗）
我们为什么存在？至少从某个角度来说，这只是宇宙的一个偶然。我们存在，只是因为各种自然常数值的某些特定巧合允许它成为可能。例如，光速、重力强度和电子电量都恰好带来一个不可多得的机会，让原子得以形成和结合。如果它们的数值有微小偏差，恒星、银河，当然还有生命，都不会存在。
然而没有人知道，自然的基本常数数值为什么是这个样子。我们可以通过极为精确的实验确定这些数值，但对其起源却一无所知。这些常数反映了人类对宇宙最精确的实验认识，同时也体现了人类最重大的无知。
我们甚至不能确定它们到底是不是常数。有迹象表明，我们倾向于认为自然常数的数值可能正在改变。如果这是真的，它们可能最终滑出生命存在所需的范围———当然，宇宙没有理由一定要维持我们永远存在下去。如果说人类从科学发展这个定向随机游动中学到了什么的话，那就是我们不是宇宙的中心。宇宙不需要我们，当然也不是为了服务于我们而存在。
我们为了从科学中摈除人类中心的偏见，已经付出了那么多努力，因此有理由连同单位一起摈除。诸如光速c、牛顿的重力常数G和普朗克的量子常数h等常量，都可以用单纯的无因次数来定义。
以精细结构常数α为例。这是描述电磁力强度的常数，它决定着原子和分子的性质。这一常数是由电子电量e,普朗克常量h（一般除以2π），以及光速c共同决定的。它被冠名以希腊字母α，定义公式为2πe2/hc,目前被确定约等于1/137·03599976……
这是一个至关重要的数字。如果数值太大，原子和分子将不能存在；α的值影响电子和质子的相互作用，并决定它们的约束能，而且恒星也不能形成，因为它们的中心温度将过低，难以引发自身的核反应。简而言之，如果α值过大，人类永远无法知道，因为我们不会存在了。
但是没有人知道α为什么是现在这个值。而更加神秘的是，我们已经发现了这个值可能改变的迹象。在过去两年里，我一直是悉尼新南威尔士大学约翰·韦伯领导的研究小组中的一员。这个小组运用新的理论技术对遥远的类星体发出的光中途被星尘吸收的情况进行分析。我们观察不同化学元素的吸收谱线间隔，这种间隔取决于发生吸收时红移中α值的任何微小变化（红移———一个天体的光谱向长波端即红端的位移）。
光线是在50亿到110亿年前离开这些星尘的，因此把观察到的谱线间隔同现在实验室中测量到的谱线间隔相比较，就可以检验α值在过去110亿年中有没有改变。
我们在两年里对147个类星体进行了观测，其结果不仅大大出乎人们的意料，而且可能意义深远。如果110亿年前精细结构常数α的值比现在小一百万分之七左右，才和复杂的谱线“指纹”的偏移相吻合。
彻底解释这些常数是物理学家面临的最大挑战。它们可能都是分别由某种未知的“万物至理”所完全决定的。或者只有部分常数以这种方式决定：宇宙常数可能与宇宙的起始条件密切相关，而α、G等其它常数的值则是在宇宙早期历史过程中随机形成的。
种种迹象表明，只有世界的空间维度远远多于我们所见的三维，才有可能存在解释所有这些常数的“万物至理”。这些“额外”维度的性质一定是大不相同的。这些维度在哪里？也许它们小到难以察觉，或者其影响只有在重力作用下才能体现出来。如果它们确实存在，那么真正的、恒定的自然常数只能从适用于所有维度、并能够解释所有维度性质的理论中导出。我们在三维世界里称之为自然常数的东西，在多维世界可能不是基本常数，甚至根本不是恒定不变的。