宇宙学常数：宇宙的精调

为什么物理学中有常数？

继承自大爆炸的值

它们的存在可能源于大爆炸时宇宙的初始条件，或者源于我们尚未理解的根本实在的深层性质。 事实上，宇宙的初始条件可能确定了常数的值，这些值随后影响了我们所知宇宙的演化和结构。 一些理论家提出了多元宇宙的想法，我们的宇宙只是众多可能实在中的一个。 在这种背景下，常数可能因宇宙而异，而我们的宇宙拥有允许生命和意识观察者出现的值。

物理理论的连贯框架

就我们的物质世界而言，物理学常数是"固定"的值，它们决定了整个宇宙从无限小到无限大的基本性质。 这些常数是描述和预测物理现象行为以及不同尺度下物质和能量性质所必需的。 这些常数有助于维持物理法则的一致性，并解释在不同尺度上观测到的现象的多样性。 它们也是研究和检验我们科学理论（牛顿引力、狭义相对论、量子力学、量子电动力学、广义相对论……）极限的工具。 现代物理学要发展，就需要普适法则。 这些法则使得在此处和彼处、今天和明天重复实验成为可能，其框架就是宇宙。 因此，常数在物理理论中起着核心作用。 矛盾的是，常数可能在极长的时间尺度上发生变化。但这并不妨碍构建不同物理和天体物理理论的有效域。

物理学的基本常数有哪些？

基本量的清单

物理常数是指在当前理论框架内数值被视为固定的量。它们出现在描述自然法则的方程中，从无限小到无限大，既决定了原子的结构，也决定了宇宙的膨胀。

多样的应用领域

最著名的涉及引力和电磁学，但清单还延伸到量子力学、热力学、粒子物理学和宇宙学。每个常数都有自己的单位以及精确的物理意义：引力常数 G 衡量质量之间引力的强度，光速 c 确定了信息和能量传播的极限，普朗克常数 h 量化了微观尺度上的能量交换，精细结构常数 α 表征了电磁力，等等。

测量和调整的值

这些量并非从抽象的数学原理推导而来：它们是通过实验测量获得的，精度不断提高，其值由CODATA等国际组织定期调整。

经过数十亿年检验的恒定性

通过观测遥远吸收光谱，在数十亿年间检验的它们的表观恒定性，构成了现代物理学的支柱之一，使得比较在完全不同背景下进行的实验成为可能。

基本物理常数汇总表

下表汇总了主要的物理常数和宇宙学常数、它们的符号、近似值、作用及历史起源。

宇宙学参数有哪些？

ΛCDM模型的宇宙学参数

与确定局部自然法则的基本物理常数不同，宇宙学参数描述宇宙的全局状态：它的年龄、膨胀率、组成和几何结构。这些量不一定是严格意义上的常数：有些随宇宙时间变化，如暗能量密度或膨胀率。它们是ΛCDM模型（Lambda-CDM）的核心，该模型如今构成了宇宙学的标准模型。最精确的值来自普朗克卫星（2018年）对宇宙微波背景的测量，并辅以超新星巡天和重子声学振荡（BAO）的观测。

ΛCDM模型宇宙学参数表

下表汇总了基本的宇宙学参数、它们的符号、来自普朗克2018数据的值，以及它们在描述宇宙中的作用。

常数使我们能够验证什么？

伟大理论的决定性检验

基本常数在验证科学理论和物理模型方面发挥了关键作用。它们使我们能够确认不同元素的吸收光谱在大约100亿年间保持不变。

哈勃张力

两个不一致的测量体系

当代宇宙学的主要困难之一在于，根据所用方法不同，哈勃常数的测量值存在分歧。基于早期宇宙和ΛCDM模型的测量给出，仅普朗克数据为 H₀ ≈ 67.4 km·s⁻¹·Mpc⁻¹，而将普朗克、ACT和SPT-3G结合时得到非常接近的值 H₀ ≈ 67.2 ± 0.4。基于造父变星和Ia型超新星的局部测量给出 H₀ ≈ 73 km·s⁻¹·Mpc⁻¹。这一最初约为5σ的差异被称为哈勃张力。

宇宙学常数真的恒定吗？

Λ，恒定的真空能量

在ΛCDM模型中，暗能量是一个真正的常数 Λ：其密度不随时间变化，状态方程为 \( w = p/(\rho c^2) = -1 \)。这是最简单的假设，也是迄今为止与大多数观测一致的假设。

DESI测量到了什么

光谱仪器DESI于2025年发布了其第二次数据释放（DR2，三年观测）的结果：对超过1400万个星系和类星体的重子声学振荡测量。这些数据可以用平坦ΛCDM模型很好地描述，但它们偏好的参数与宇宙微波背景的参数存在中等张力（2.3σ）。

当DESI与宇宙微波背景和超新星目录结合时，由参数 \( (w_0, w_a) \) 描述的演化暗能量，根据超新星样本的不同，以2.8至4.2σ的显著性优于ΛCDM模型。此后对DES-SN5YR目录（"DES-Dovekie"）的重新分析已将最大值从4.2σ降至3.2σ。

有待确认的线索，而非发现

这些值仍低于通常要求的5σ发现阈值。DESI的作者强调，除非某个数据集存在未知的系统误差，否则ΛCDM模型正在受到考验，动态暗能量可能是一个解决方案。如果得到确认，Λ将不再是一个常数，而是一个随宇宙时间演化的场。

与中微子质量的联系

在实验室中，KATRIN实验通过氚衰变直接测量电子中微子的质量。其259天的数据（Science, 2025）给出，在90%置信水平下 \( m_\nu < 0{,}45 \) eV，即不到电子质量的百万分之一。宇宙学的限制要严格得多：DESI和宇宙微波背景将三个中微子质量之和限制在 \( \sum m_\nu < 0{,}064 \) eV（ΛCDM，95% CL）。这一限制接近中微子振荡所施加的约0.06 eV的下限，如果暗能量是演化的，则放宽到0.16 eV：因此这两个问题是相互关联的。

要点

现代物理学的基础

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，来解释和预测宇宙中从无限小到无限大范围内观测到的广泛现象。自2019年以来，其中一些甚至定义了测量单位本身。

三个仍未解决的问题

今天没有任何理论能解释为什么常数具有这些值。哈勃张力尚未解决，暗能量的性质仍然悬而未决：是时空的常数，还是演化的场。DESI、欧几里得空间望远镜、JWST以及未来巡天的数据将提供答案。