常数之谜，科学家是如何确定常数的？常数与宇宙的关系是什么？

哈勃常数、引力常数、普朗克常数、玻尔兹曼常数、光速、π、真空的介电常数、真空的磁导率、电导率、电阻率、库仑常数，等等…… 常数家族的队伍还在不断扩大。任何学过基础科学的人都会遇到至少一个物理常数，比如光速或电子的质量。这是不可避免的。

科学家尤其是物理学家必须记住这些常数（至少非常熟悉），因为这可以让很多计算过程变得简单。但当你停下来思考这些常数，以及它们所描述宇宙的某方面的性质时，你会感到不可思议。这些庞大的数字并不仅仅是为了给我们带来计算上的不便。

我们知道很多常数的值，但是这些值是怎么来的呢？这些常数是科学家创造的，还是自然存在的？它们对物理学意味着什么？它们会改变吗？如果会，我们为什么称它们为“常数”？

这些常数意味着什么？

哈勃常数告诉我们宇宙的膨胀及恒星离我们远去的速度，最终帮助我们计算宇宙的年龄。自埃德温・哈勃于 1929 年首次计算出它以来，已经过去了近 100 年，科学家们仍在争论它的实际价值。随着技术的每一次飞跃，以及每一台新的（更精密的）望远镜问世，哈勃常数都会“改变”。找到哈勃常数的精确值仍然是现代天文学最大的挑战之一。

引力常数有时也被称为牛顿常数，是牛顿万有引力定律中使用的比例常数，用 G 表示。无论是在地球上、火星上，还是在几千光年之外的某个遥远的行星上，引力常数的值都不会改变。

普朗克常数给出了粒子频率与其总能量之间的关系，这是物理学世界中的一个突破性发现，因为其中一个量是波的属性（频）)，另一个是粒子的属性 (能量)。因此，证明了物质的波粒二象性，并最终为量子物理学的发展铺平了道路。

我们可以通过常数所代表的东西（物理量）来定义单个常数，但我们能否给几个常数赋予一个整体的定义（含义）？也就是说，我们需要用我们指定的单位来定义宇宙的某些量，比如米、牛顿、光年和焦耳。

例如，引力常数的单位 G 是：

当 G 乘以两个物体的质量，再除以它们之间距离的平方，就得到了力的单位，牛顿（N）。这正是我们需要的，因为我们想知道两个物体之间的引力：

因此，常数的数值将取决于我们使用的单位系统。

那么这是否意味着常数是人类构造的？绝对不是！这个定义是关于常数的作用，而不是常数是什么。此外，它也不能定义所有的常数，因为也有无量纲的常数，比如著名的圆周率 π。

圆周率是个无理数，并且是超越数，它出现在自然界的许多现象中。从 DNA 双螺旋结构，到扔石头时池塘的涟漪，到斑马条纹和豹斑图案，到著名的海森堡原理，到抗震建筑的结构，再到海浪的涨落 —— 圆周率无处不在。它在宇宙运行的中心逐渐消失，并出现在最复杂的数学中。

它是一个常数，没有单位，我们不知道为什么会这样。

它们的值是如何确定的？

有一些常数的值存在争议，误差总会存在，这取决于我们现有设备的准确性和灵敏度。常数不是科学家创造的。它们存在于宇宙中，我们只是通过反复的实验和观察来测量它们。

还有一个问题更深入地探究了常数之谜。在 1937 年 2 月 20 日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，著名物理学家保罗・狄拉克提出了一个至今仍令物理学家困惑不解的问题：如果我们纵观整个宇宙的历史，所有的常数真的都是常数吗？毕竟，我们所有的测量都是在地球上进行的。这里不变的东西在其他地方也是不变的吗？

然后有证据表明“质子质量与电子质量的比值”是不变的。多年来，在来自多个国家的众多研究小组，探索了可观测宇宙中最遥远的角落，仅仅是为了确定质子与电子的质量比是否会改变。每一次，结果都是一样的。质量比保持不变。

常数是会变化的，比如哈勃常数（埃德温・哈勃测量的初始值是目前哈勃常数值的 7 倍多），但这是由于人为误差和设备精确性造成的。

我们无法解释为什么这些常数是这样的，它们是如何由自然决定的，以及它们是否能在数十亿年的时间里发生变化。我们只能测量已经存在的东西。

本文来自微信公众号：老胡说科学 （ID：LaohuSci），作者：我才是老胡

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