物理常數的值是否取決於我們如何測量？

在物理學中，測量是一件很有意思的事情。我們的期待是：對宇宙中的一些基本特性的量化應遵循一個簡單的模式——即測量的誤差一開始會比較大，但隨著時間的推移，測量技術會不斷得到改善，誤差就會逐漸縮小。在理想的情況下，新得到的測量值會出現在之前的測量誤差範圍之內。

可事實卻幾乎從不如此。在很多情況下，測量值會在一段時間內都聚集在某一範圍，直到得到一組超出原有誤差範圍的新數據結果，出現在完全不同數值區域。而且，即使隨著技術的改進，一些誤差範圍也仍然頑固地拒絕重合。例如本周發表於《科學》期刊的一篇新論文就指出，描述了電磁力強度的精細結構常數就是這樣一種情況。但研究人員並沒有簡單的將其歸咎於測量的變幻莫測，而是認為這種差異或許是真實的——它可以告訴我們一些可能超越了粒子物理學的標準模型的東西。

○精細結構常數（α）是著名的無量綱常數，約等於137的倒數。這個純數字使許多物理學家為之著迷，約翰·惠勒曾在書中寫到：“物理學家喜歡這個數字不僅僅是因為他是無量綱的，還因為它是自然界中三個基本常數的組合。為什麽這幾個常數結合在一起的時候會得出一個特別的數字：1/137.036，而不是其它的數字？”

偉大的精細

電磁力出現在大量現象中，而精細結構常數就是描述這種力的一種量度。這意味著有很多方法可以讓我們對精細結構常數進行測量。當涉及高精度的測量時，研究人員提出了兩種不同的方法：第一種是對電子磁性的直接測量；第二種是通過研究原子與光之間相互作用。

慢慢的，我們想出了更好的方法來進行這兩種測量，測量結果的誤差範圍也隨著測量方法的進步不斷地縮小。可是當產生的數值越來越接近時，誤差範圍仍“頑固”地拒絕重合。

○物理學家對精細結構常數進行了迄今為止最精確的測量。圖中顯示的研究人員是來自加州大學伯克利分校的Weicheng Zhong。| 圖片來源：CHENGHUI YU

在這篇新發表的論文中，物理學家利用的是第二種方法——光子與原子之間的相互作用——來測量精細結構常數的值。實驗本身的設計非常巧妙：它像探測引力波的LIGO探測器一樣，依賴於波與波之間的干涉可以記錄極其微小的位置變化的特性；而與LIGO不同的是，這裡的波不是光，而是原子。利用原子的量子特性，研究人員沿著不同的路徑以波的形式發出一束束原子，讓它們相互干涉。

但這裡值得關注的是這些誤差所涵蓋的值的範圍。在先前用原子干涉儀進行的測量中，值的範圍完全處於誤差範圍內。而且這些測量結果都不與通過對電子的直接測量得到的最高精度測量值重合。兩者之間的差異具有2.5σ的顯著性。

○這些實驗設備（部分）使新的測量成為可能。| 圖片來源：Holger Müller lab

如果這是真的？

在進一步的測量中，我們有理由期待這種差異會縮小甚至完全消失。但這種情況也有可能並不會發生。電子的行為與精細結構常數之間的關係是由標準模型描述的，而我們已經就如何改進標準模型提出了許多想法。其中一些理論預期電子的行為會發生改變，因此研究人員決定嚴肅對待測量結果之間的這種差異。換句話說，他們假定兩種測量都正確，並思考標準模型如何變化才能產生兩者之間的明顯差異。

○精細結構常數的精確測量：圖中顯示了不同測量方法的對比，“0”是2014年CODATA建議的值，綠色的點代表光子反彈實驗的測量結果，紅色的則表示通過電子測量得到的值。誤差線表示了1σ的不確定性。| 圖片來源：[1]

此次的測量結果可以被用來探索電子內是否存在亞結構的可能性，同時也能夠對暗光子（dark photon）的存在進行檢驗。暗光子是一種與普通光子類似的假想粒子，不同的是它具有質量並且與已知粒子有著非常微弱的作用。暗光子會導致在精細結構常數的測量結果上產生差異，但這種差異應該與從實驗中觀測到的差異方向相反才對。換句話說，暗光子會讓情況變得更糟。相比之下，另一種假想粒子——暗軸向矢量玻色子（dark axial vector boson ）——並不能被新的測量結果排除出局。

這並非說明這些實驗已經能明確地告訴我們任何有關於超越標準模型的物理。電子測量結果仍然有存在錯誤的可能性，並且這項工作中還有幾個研究將能提供更多關於它正確與否的信息。這些研究是絕對值得追求的，因為出現在幾項獨立測量中的持續性差異將會使事情變得越來越有趣。

此外，從一個完全無關的方面來看，研究人員指出新的研究還提供了一種測量原子絕對質量的標準方法，這可被用來為定義千克提供一種不需要依賴金屬塊的新方法。這也算是額外驚喜了！

編譯：二宗主

參考來源：

[1] R.H. Parker et al. Measurement of the fine-structure constant as a test of the Standard Model. Science. Vol. 360, April 13, 2018, p. 191. doi: 10.1126/science.aar7432.

[2] https://arstechnica.com/science/2018/04/new-measurements-set-two-areas-of-physics-against-each-other/