最后更新：2025年10月2日

物理与宇宙常数：万物起源的普适数字

物理常数与宇宙学常数 — 化学元素的吸收谱线：当白光穿过某种化学元素时，产生的彩色光谱上会散布着暗线。这些暗线是光所经过的化学元素的特征标记。借助这些谱线，我们可以确定恒星大气的化学成分。对于同一种元素，其吸收谱线与发射谱线相对应（如图像底部的两个光谱所示）。化学元素会吸收它自身能够发射的辐射。吸收谱线与发射谱线具有相同的波长。换言之，锂元素吸收光谱中的暗线与其发射光谱中的彩色谱线一一对应。

为什么物理学中有常数？

常数的存在可能源于宇宙大爆炸时的初始条件，或源于我们尚未理解的基本现实的深层属性。事实上，宇宙的初始条件可能设定了常数的数值，进而影响了我们所知的宇宙演化与结构。一些理论家提出了多重宇宙的概念，认为我们的宇宙只是众多可能现实中的一个。在此背景下，常数可能因宇宙而异，而我们的宇宙恰好拥有允许生命和意识观察者出现的数值。

关于我们的物质世界，物理常数是“固定”的数值，它们决定了从微观到宏观整个宇宙的基本属性。这些常数对于描述和预测物理现象的行为，以及不同尺度下物质和能量的特性至关重要。它们有助于维持物理定律的一致性，并解释在不同尺度下观察到的现象多样性。它们也是我们研究和检验科学理论（如牛顿引力、狭义相对论、量子力学、量子电动力学、广义相对论等）边界的重要工具。现代物理学的发展需要普适定律。这些定律使得实验能够在宇宙框架内，无论此处还是彼处、今日还是明日，均可重复进行。因此，常数在物理理论中扮演着核心角色。矛盾的是，常数可能在极长的时间尺度上发生变化。然而，这并不妨碍不同物理和天体物理学理论的有效性领域被结构化。

注：常数使用物理学的3个基本单位，即千克（符号kg）、米（符号m）和秒（符号s）。尽管常数的值与米、千克和秒的任意值密切相关，但我们定义比值（质量比、力比等）以避免计算错误。

物理学中的常数是什么？

(G) 万有引力常数：G ≈ 6.674 × 10^-11 m^3/kg/s^2。该常数定义了任意两个质量之间的引力大小。它由英国物理学家艾萨克·牛顿（1643-1727）在其1687年出版的重要著作《自然哲学的数学原理》（简称《原理》）中提出。
(e) 元电荷：e ≈ 1.602 × 10^-19 C。该常数是电子或质子所携带的最小电荷单位。它由法国物理学家查尔斯-奥古斯丁·库仑（1736-1806）在1777年至1785年间通过电荷间电相互作用的实验所定义。
(kₑ) 电常数：kₑ ≈ 8.988 × 10^9 N·m²/C²。该常数定义了真空中电荷之间的电力。它由法国物理学家查尔斯-奥古斯丁·库仑（1736-1806）于1785年定义。
(ε₀) 真空介电常数：ε₀ ≈ 8.854 × 10^-12 F/m。该常数描述了真空中电荷之间电相互作用的强度，即真空允许电场传播的能力。它由英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831-1879）定义。
(c) 真空中的光速：c ≈ 299 792 458 米/秒。这一常数是宇宙中信息或能量传播的最大速度。它由阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊（1852-1931）在1881年至1887年间通过干涉仪测量光速的实验精确确定。
(h) 普朗克常数：h ≈ 6.626 × 10^-34 J·s。该常数将粒子的能量与其频率联系起来。它由德国物理学家马克斯·普朗克（1858-1947）于1900年在其关于黑体辐射的研究中定义。
(α) 精细结构常数：α ≈ 1/137。该常数表征电磁力，并衡量电荷之间电磁相互作用的强度。它最早于1916年由英国物理学家阿诺德·索末菲（1868-1951）提出，后由理查德·费曼（1918-1988）等物理学家精确计算得出。
(mₑ) 电子静止质量：mₑ ≈ 9.109 × 10^-31 kg。该常数是电子在静止状态下的固有质量。它由阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊（1852-1931）和爱德华·威廉姆斯·莫雷（1838-1923）提出，他们通过干涉实验高精度测量了普朗克常数（h）和光速（c），从而能够更精确地计算电子的静止质量（mₑ）。
(Nₐ) 阿伏伽德罗常数：Nₐ ≈ 6.022 × 10^23 mol⁻¹。该常数将物质的量与粒子数量联系起来，由意大利科学家阿梅代奥·阿伏伽德罗（1776-1856）于1865年提出并引入。
(σ) 斯特藩-玻尔兹曼常数：σ ≈ 5.67 × 10^-8 W/m²K^4。该常数描述了黑体辐射能量通量随温度变化的函数关系。它于1879年和1884年由奥地利物理学家约瑟夫·斯特藩（1835-1893）与德国物理学家路德维希·玻尔兹曼（1844-1906）共同研究确定。
(k) 玻尔兹曼常数：k ≈ 1.381 × 10^-23 J/K。该常数将热能与其温度联系起来。它由德国物理学家路德维希·玻尔兹曼（1844-1906）在其关于熵的研究中确立。
(mₚ) 普朗克质量：mₚ ≈ 2.176 × 10^-8 kg。这一常数决定了物理学在极高能量和极小空间尺度下的运作方式。它由德国物理学家马克斯·普朗克（1858-1947）于1900年在研究黑体热力学时提出。
(Λ) 宇宙学常数：Λ ≈ 2.3 × 10^-18 s^-2。该常数与暗能量及宇宙加速膨胀相关，由阿尔伯特·爱因斯坦（1879-1955）于1917年引入广义相对论方程中。
(mₚ) 质子质量：mₚ ≈ 1.672 × 10^-27 千克。该常数定义了质子的质量，质子是原子核的组成部分。质子质量的精确测量得益于世界各地粒子物理与核物理实验室所进行的实验。
(mₙ) 中子质量：mₙ ≈ 1.675 × 10^-27 千克。该常数定义了中子的质量，中子也是原子核的组成部分之一。1969年，由理查德·爱德华·泰勒（1929-2018）领导的多伦多大学物理学家团队进行了其中一项最精确且最具影响力的测量。
(αₛ) 强耦合常数：αₛ ≈ 1。这是将质子和中子结合在一起的强相互作用常数（夸克与胶子之间的强相互作用）。它于20世纪70年代初期由多位科学家在建立量子色动力学时被定义。
(mᵧ) 中微子质量：(mᵧ) ≈ 1 eV/c²（非常小）。该常数定义了粒子物理学中中微子的质量。对中微子质量的探索已持续数十年，涉及全球众多实验。
(GF) 费米常数：GF≈ 1.166 × 10^-5 GeV^-2。该常数用于描述亚原子粒子之间的弱相互作用。它由意大利物理学家恩里科·费米（1901-1954）在其弱相互作用理论中引入。
(a₀) 玻尔半径：a₀ ≈ 5.292 × 10^-11 米。该常数定义了氢原子中电子绕核轨道平均尺寸。1913年由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（1885-1962）在其原子模型中提出。
(u) 原子质量常数：u ≈ 1.660 × 10^-27 千克。该常数用于以原子质量单位（碳-12原子质量的十二分之一）表示原子质量。它由国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）于1961年定义。
(λₑ) 康普顿波长：λₑ ≈ 2.43 × 10^-12 米。该常数（λₑ）描述了粒子因电磁力作用产生的散射效应。康普顿波长是表征入射粒子（如光子）使目标粒子（如电子）发生偏转的特征距离。该概念由美国物理学家阿瑟·霍利·康普顿（1892-1962）在其关于X射线及光与带电粒子散射的研究中提出。

常数让我们验证了什么？

基本常数在验证科学理论和物理模型中发挥了关键作用。它们证实了不同元素的吸收光谱在大约100亿年间保持不变。

真空中的光速（c）和普朗克常数（h）对于验证爱因斯坦狭义相对论的预测至关重要，尤其是在接近光速时的时间膨胀和长度收缩效应。
万有引力常数（G）被用于通过观测大质量物体周围的光线弯曲以及黑洞的特性，来检验爱因斯坦广义相对论的预测。
诸如基本电荷（e）、电子质量（me）和普朗克常数（h）等常量，使我们得以验证量子力学关于亚原子粒子行为的预测。
电常数（ke）和精细结构常数（α）被用于验证量子电动力学的预测，特别是原子光谱和带电粒子之间的相互作用。
强耦合常数（αs）和弱耦合常数（GF）在确认强相互作用（核力）和弱相互作用（导致β衰变）的预测中起到了关键作用。
粒子的质量常数，例如电子、质子和中子的质量常数，使我们能够验证粒子物理模型，特别是标准模型。

总之，物理常数一直是验证科学理论的基础。它们使我们能够构建一个连贯的框架，用以解释和预测从微观到宏观的宇宙中观测到的各种现象。

物理与宇宙常数：万物起源的普适数字

为什么物理学中有常数？

物理学中的常数是什么？

常数让我们验证了什么？

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