| 有些事情,因我们司空见惯,便习以为常,从来没有想过为什么。而一旦被某人追问起来,或是被某书启发一下,这些事情便很成“问题”,理所当然的事情也就变得匪夷所思,莫名其妙。最近读了约翰·巴罗所著的《大自然的常数》,忽然之间对计量单位的问题产生了一点兴趣。 问题是这样被提出的:假如有一天,你收到一个外星人的信息,询问你的身高几何,你该怎样回答呢? 这个问题看似不难。但是,不管你用“米”,还是用“尺”,还是用“英尺”作单位,对外星人而言,都是无意义的空谈,因为他不知道这些单位的定义,也就无从换算成他们星球的长度单位。 “米”起源于法国,它的定义是:通过巴黎的地球子午线全长的两千万分之一。很显然,除非外星人可以亲临地球,否则他无法理解“米”是什么。 与此相似的是,时间单位秒,是按照地球自转的节律进行定义的,作为外星人,他亦不能了解秒的含义。质量的定义虽然依托于常见物质——水,但由于它的定义中包含体积的概念,所以不理解米的外星人同样无法理解千克。 上述三种计量单位都是依赖人类的日常经验加以定义的,这种定义的好处是易于人的使用,缺陷之处却很致命,除了不具备普适性之外,它们自身也处于不稳定的状态,并不是一个恒定的值。 地球的自转时间在逐渐变慢,国际米原器会发生形变,而千克基准由于是铂金铸造的合金,铂金会吸收空气中微量的水银,这就使质量基准的准确性不可避免地受到了影响。虽然这些微小的差别对于我们日常生活影响不大,但对于科学家而言,已足以令他们抓狂。 科学发展的一个重要成就,是使人们摆脱了人类中心论的影响,重新认识了自己在宇宙中的位置。科学家们认识到,对于计量单位的定义应该和宇宙的本质属性结合起来,而大自然刚好赐予我们一些不变的东西,用它们作为所有定义的基石,是再完美不过了。 1874年,一位名叫乔治·约翰斯通·斯托尼的爱尔兰物理学家开始思考这方面的问题。他提出利用万有引力常数G、光速c、基本电子电荷e,这三个宇宙中的常数,来定义其余的物理量。到了1899年,著名的德国物理学家马克斯·普朗克改进了他的思想,用普朗克常数h取代e,重新定义了长度单位lpl。 lpl=(Gh/c3)=4.13×10-35米 与此相类似,普朗克还定义了质量单位mpl,时间单位tpl等等。 lpl是一个极小的尺度,几乎不会与我们日常生活发生任何直观的联系。但是G、c、h这三个量,却是宇宙中不变的数值,至少现在人们是这样认为的。用这三个放之四海而皆准的量来定义长度或是时间、质量、温度等其他物理量,是全宇宙的智慧生命都能理解的语言,也有可能暗示了宇宙的终极奥秘。你看,G是宏观世界中万有引力的常数,c是宇宙中信息传递的极限速度,而h则是微观世界中描述量子大小的常数,由宏观世界和微观世界的常数来描述空间的尺度,这本身就具备了独特的美感。就此而言,这个极小的数值却有可能蕴含极大的意义。 遥想当年,英国国王亨利一世规定1码就是他自己的鼻子尖到他伸直手臂的中指尖的距离,后来法国宣称1米为通过巴黎的地球子午线全长的两千万分之一,这都是“人类中心论”或是“地球中心论”的产物,本质上没有什么区别。而lpl则与人无关,它是超然的,也可能是永恒的。 当然,普朗克单位也不能说是绝对精确的数字,因为G、c、h都是通过测量而获得的数据,并非绝对准确,随着科学的进步仍有可能获得进一步的修正。但是普朗克单位所表现出来的非人类中心主义的思想,确实值得赞赏。 晚年的爱因斯坦在探索宇宙终极理论的过程中曾怀有很大的抱负。他不仅要将统治宏观世界的理论相对论和统治微观世界的理论量子力学统一到一个终极理论当中,还希望使类似G这样的常数通过数学上的计算而不是物理学上的测量得出,从而使G、c、h能够像π一样,成为精确的、真正意义上的常数。 大自然的常数为何恒久不变呢?又为何等于那些特定的数值?是偶然的巧合吗?吸引爱因斯坦的那些奥秘,也会吸引充满好奇心的后来者吧。 《大自然的常数——从开端到终点》 [英]约翰·巴罗著 上海世纪出版集团出版 |