永恒的基石　无尽的追求

科学规律中隐藏着一些不太起眼却又真实存在的因子，它们叫做常数。常数，顾名思义就是不变的数。科学中的常数常常令人肃然起敬，它们表面上是那么简单、平凡，然而就这么几个符号、几个数字，却能绘出一幅幅关于科学世界的美丽画卷。常数们的出现都曾是科学史上的伟大时刻，科学史上最富创新性的理论常常与它们结伴而行，它们被无数的科学家验证、接受并使用。从祖冲之的圆周率到欧拉的自然对数底数，从牛顿的万有引力常数到爱因斯坦的光速恒定，正是这些微末细枝的常数不断诠释出宇宙的无穷奥秘，勾画着科学的宏伟殿堂。

物理学是一切自然科学中最基本、最抽象的科学。在物理学中，有很多物理量被认为是不随时间改变的常量，即普适常数。通常，科学家们认为在自然界中有以下几个基本普适常数：万有引力常数G、哈勃常数H、精细结构常数α、光速c、普朗克常数h、波兹曼常数k等。它们的值显示出不随时间改变的特征，而且不论是在地球上还是在其他宇宙空间，都不发生改变，即在整个宇宙中普遍适用。

宇宙中“跑得最快”的常数c

光在真空中的传播速度即光速，也是一个常数。如果一个人能以光速绕地球飞行，那么只需要1秒钟的时间，他就能够绕地球飞行7.5圈。

伽利略是试图测量c的第一位科学家。他和他的助手分别站在相距1英里的两座丘陵的最高点，每人拿一盏灯，他先举起灯，他的助手在看到灯的同时举起自己的灯，从他举起灯到他看到他助手的灯的时间间隔就是光传播2英里的时间。然而，伽利略没有成功：光实在太快了，这种方法根本行不通。但伽利略的实验揭开了光速研究的序幕。

1676年，丹麦天文学家罗默第一次提出了有效的光速测量方法。他在观测木星的卫星的隐食周期时发现：在一年的不同时期，它们的周期有所不同；在地球处于太阳和木星之间时的周期与太阳处于地球和木星之间时的周期相差十四五天。他认为这种现象是由于光具有速度造成的，而且他还推断出光跨越地球轨道所需要的时间是22分钟。惠更斯根据罗默提出的数据和地球的半径第一次计算出了光的传播速度：214000千米/秒。显然这个数值与实际光速相差甚远，根源在于罗默对光跨越地球的时间的错误推测。后人对罗默的方法进行多次校正后计算得出的结果是298000千米/秒。

1849年，法国人斐索第一次在地面上设计实验装置来测定光速。他将一个点光源放在透镜的焦点处，在透镜与光源之间放一个齿轮，在透镜的另一侧较远处依次放置另一个透镜和一个平面镜，平面镜位于第二个透镜的焦点处。点光源发出的光经过齿轮和透镜后变成平行光，平行光经过第二个透镜后又在平面镜上聚于一点，在平面镜上反射后按原路返回。由于齿轮有齿隙和齿，当光通过齿隙时观察者就可以看到返回的光，当光恰好遇到齿时就会被遮住。从开始到返回的光第一次消失的时间就是光往返一次所用的时间。通过这种方法，斐索测得的光速是315000千米/秒。然而，齿轮的宽度，限制了测量的精确度。

1850年，法国物理学家傅科改进了斐索的方法，他只用一个透镜、一面旋转的平面镜和一个凹面镜。平行光通过旋转的平面镜汇聚到凹面镜的圆心上，同样用平面镜的转速可以求出时间。傅科用这种方法测出的光速是298000千米/秒。1973年，美国标准局的埃文森采用激光方法测出目前真空中光速的最佳数值：299792457.4±0.1米/秒。

光速的测定在光学的研究历程中有着重要的意义。虽然从人们设法测量光速到人们测量出较为精确的光速共经历了三百多年的时间，但在这期间的每一点进步都促进了几何光学和物理光学的发展，尤其是在微粒说与波动说的争论中，光速的测定也给这一场著名的科学争辩提供了非常重要的依据。

常数果真一成不变吗

物理学中的常数，支撑着现代物理学的架构，也勾勒着我们对物质世界的想象。但是，常数的数值是偶然的吗？为什么偏偏是这些数？如果常数本身并不是真正的一成不变，世界又将如何变化呢？

1937年，诺贝尔奖获得者英国物理学家保罗·狄拉克率先研究了自然常数随时间变化的问题，并提出万有引力常数应该与时间成反比，即随宇宙的衰老而变小。虽然这个假设最终被证明是错误的，但它启发了人们对常数是否不变的思考。

2001年，英国剑桥大学的天体物理学家迈克尔·墨菲领导的一个小组，分析了几十亿光年外一些类星体的光谱，发现其中的金属元素谱线有微小变化。由于精细结构常数决定着谱线的结构，研究者据此认为，该常数自宇宙大爆炸以来增大了约0.001%。这一发现在学术界引起了不小的骚动。不久前，墨菲小组又用夏威夷凯克天文台的世界最大光学望远镜研究了143个类星体的光谱，并在“2005——世界物理年”大会上说，这项研究显示精细结构常数的确在增大。如果这个观点被进一步证实，那就反映了宇宙膨胀速度在加快，电子和质子之间的结合随着时间的推移变得更加紧密。而且因为常数随时间而变化会偏离标准的物理学模型，有可能促使人们去修正试图统一自然界各种力的“弦论”。

事情如果真是如此，那么我们就得重新认识世界了。

从常数的引入、测定以及修正可以发现，科学的历程往往就是这样：当你在科学的一个标准模型里找不到方向时，也就到了打破这个模型的时候了。不论是宇宙还是世界，我们对它们包括对人类自身的认识都是有限的、渐进的，而对于科学问题的探索和思考则是无限的、无止境的。不管那些试图证明精细结构常数随时间变化的科学家的结果是否正确，但他们敢于怀疑、勇于突破传统的科学精神和孜孜不倦的科学态度是值得赞扬的，也是最值得我们学习和弘扬的。

推荐访问： 基石 无尽 追求

---