58、光速与基本物理常数

在描述物理学普遍规律的理论中，经常会出现物理常数的身影，而一类特殊的常数与测量它的时间、地点、方式、仪器等均没有关系，被称为基本物理常数。这些神秘的基本常数在理论中往往至关重要，似乎隐含着某种本质上的东西，让人浮想联翩。

第一个也是最重要的常数显然是光速。起初，人们并没有认识到光的速度会是一个常数，直到迈克尔逊-莫雷实验之后，人们才认识到问题。光速一般会出现在与相对论或电磁学有关的公式之中。在相对论中，将光速与时间的乘积与坐标等同起来，将能量与动量联系起来，使时间成为四维坐标的第四分量，能量成为四维动量的第四分量。而且光速还联系起了另外两个重要的物理量，即质量和能量，发现质量与能量实际上是同一个物理量。在电磁学中，光速与真空电容率和真空磁导率相联系，而实际上真空磁导率是与国际单位制中的电流定义相关的，因此光速、真空电容率与真空磁导率三者之间只有一个是独立的，所以电磁学中光速联系的实际上是电场与磁场之间的比例关系。从以上分析可以看出，光速将此前似乎没有什么关联的物理量用等号联系起来，从中我们可以得出一个结论：像光速这样的基本物理常数的存在性表明，许多此前我们认为不同的概念实际上是同一种东西，因此基本物理常数代表了概念的统一和融合。从光速的角度来看，电场和磁场、坐标和时间、质量与能量、能量与动量存在更深刻更紧密的联系。

在科学的发展史上存在过很多这样的例子，此前认为没有什么关联的东西发现它们是同一样事物的两个侧面。最著名的当属焦耳的热功当量，此前热的单位是卡路里，而功的单位是焦耳，两者在人们心里并没有联系，是互不相关的两个概念。而焦耳的工作表明，它们实际上是一回事，而且两者之间有显著的对应关系，1卡热量对应4.2焦耳的功。而这个4.2就是联系热与功的基本物理常数。在科学史上也发现了许多此前认为是同一个概念的东西分裂成两个不同概念的例子，例如在无理数发现史上的连续与稠密的概念，微积分历史上连续、可导与可微的概念，相对论历史上固有时与坐标时、固有长度与坐标长度的概念等等。概念的分裂体现了我们在认识自然的过程中，对信息的分辨率不断提高，认识在不断升级，知识体系在不断深入和丰富。而基本物理常数的发现则是一个相反的过程，它代表的是概念的合并与统一，使原本表面上可以区分的东西变得不可区分了，这类似于波的干涉效应，获得干涉条纹的前提就是我们无法区分粒子的路径。基本物理常数使得以前杂乱无章互不相关的知识体系相互融合统一，构成一幅更加完美深刻的图像，使我们拥有了会当凌绝顶，一览众山小的眼界和能力。

除光速外，科学史上还有许多其它基本物理常数，比如普朗克常数。它的出现表明，波与粒子这两个原本我们认为不同的概念，实际上是同一种东西的两个侧面。普朗克常数将描述粒子的能量与动量和描述波的频率与波长联系起来，构成了量子论的基本公式：德布罗意关系。整个量子论实际上就是在不停的说波就是粒子，粒子就是波，并在此基础上不断的深化和推理。普朗克常数将两个互不相关的平行宇宙通过干涉合并为同一个宇宙。

第三个常数是万有引力常数，起初它出现在牛顿的万有引力公式中，体现的是两个物体之间引力的强度，似乎没有联系或融合什么东西。但是如同普朗克常数最初出现在黑体辐射公式中一样，一个常数联系起来的东西往往需要深入分析与挖掘才能发现。很快，爱因斯坦发现，通过牛顿万有引力公式定义的引力质量与牛顿第二定律定义的惯性质量实际上是同一种东西，而且描述时空曲率的爱因斯坦张量和描述物质运动的能量动量张量也是同一种东西，万有引力常数再次统一了我们的观念。

在热力学中，起到统一和概念间相互联系作用的常数是玻尔兹曼常数。玻尔兹曼常数将热力学中熵的概念与系统的微观状态数联系起来，正是这一常数的存在，使得热力学成为一个独立于力学与电磁学之外的学科。玻尔兹曼常数使基于微观状态统计的统计力学与热力学的基本定律联系起来，使热力学的许多传统概念获得了微观解释。

在基本物理常数中有一个引人注目的常数：电子的电量。元电荷是从实验中发现的，此前人们没有任何关于所有电荷都是元电荷整数倍的概念，因此它也是一个全新的基本物理常数。事实上，电子的电量与精细结构常数等同，描述的是电子场与电磁场这两种场的相互作用强度。人们普遍认为，标准模型虽然非常成功，但是并不是最终的理论，类似精细结构常数这样的基本物理常数，很可能会在未来的新理论中进一步统一我们的观念，可能会将过去我们认为不同的东西统一到一个概念之中，例如电子场与电磁场。

标准模型一个让人很不舒服的特点就是包含了19个可调参数，如今已经发现中微子有质量，因此还要额外增加9个。出现这么多可调参数的一个主要原因是，每个基本粒子都有一个质量，而所有这些质量都是基本物理常数。如果我们认同基本常数是用来统一概念的，那么标准模型中每一个可调参数都会更新我们的观念，将原本认为不同的东西联系在一起，就如同波与粒子的统一一样。从这种思路来看，标准模型远远没有达到我们期望中的统一场论，或许未来的统一理论可以再次更新我们的观念，可以像计算基态与激发态一样，让我们真正理解电子、μ子与τ子等基本粒子的质量起源与质量关系，甚至通过统一理论计算标准模型的各类参数。