举个例子,初中学的公式FG=mg,小g地球表面重力加速度等于9.8N/kg,这个可以当做是一个常数,而如果在月球,g就变成1.63N/kg,可以看作是月球表面重力加速度常数。而高中学到了万有引力公式,FG=GMm/r^2,原本地球和月球表面重力加速度这个两个常数,都可以靠著往万有引力公式中代入参数求得。可以说,万有引力公式比原本的FG=mg更加完备,相当于是作了一个统一,从而消除了原本在不同情况下出现的两个不同的常数。

那么是不是说明,别的物理常数,也是由于这个公式当前不完备而出现的,或许会有一个更完备的统一公式,让原本的常数能够靠著代入参数求出呢...


从某种意义上讲,你说的没错。事实上,将一些常数看作是某个场在低能下的真空期望值(VEV, vacuum expectation value)是高能物理学界寻找高能理论的一个非常重要的思路。希格斯机制(Higgs mechanism)就是这一思路的典型案例,它将基本粒子的质量看作是希格斯场(Higgs field)的真空期望值(严格来说还要乘上耦合常数)。

我们简单梳理一下希格斯机制。假如我们有如下的 Lagrangian:

[公式]

其中 [公式] 是耦合常数, [公式] 是一个标量场, [公式] 是某个物质场。现在场 [公式] 获得了一个真空期望值: [公式] ,这使得场 [公式] 变得不稳定,在量子涨落下会快速衰变,于是我们写 [公式] ,这样一来场 [公式] 就是稳定的,于是可以被用来量子化。这种写法让 Lagrangian 变成两项:

[公式]

我们看到第二项是希格斯场 [公式] 与物质场 [公式] 的相互作用。在足够低能的情况下,希格斯场不被激发,因此在路径积分中直接被积分掉,等效来看就只剩第一项。而只要我们确认 [公式] ,那么第一项就变成了 [公式] 的质量项。

同样的逻辑你可以用在任何一个常数上。比方说我们有这样的 Lagrangian:

[公式]

[公式] 是常数,[公式] 都是场。你可以认为这是因为在高能下有这样的 Lagrangian:

[公式]

然后 [公式] ,所以需要写 [公式] ,又因为 [公式] 在低能下不被激发,从而低能下只剩下了原来的那一项。这对于我们从低能理论中拓展高能理论有一定的指导意义。


是的。

虽然很多常数如光速、阿伏伽德罗常数、普朗克常数等参数可以通过定义单位制消去。但还有很多常数是没有量纲的,这样的数不能通过重新定义量纲消去,因为在新的单位制里其必然也没有单位,为保持一致数值也不应该发生变化,最常见的就是π和e。用费曼的说法来说每有一个π必然对应有圆。而e一般会对应较为朴素自然的假设。

大多数这样的数我们可以纯数学地推导出来,这个推导过程也就可以说成是对这些物理公式的更细致了解。但还有一部分数暂时只能凭借实验数据得出来,其中最为出名的就是精细结构常数α了。α约等于1/137,没有量纲,点电荷的静电力作用常数k就是α的宏观体现。

关于精细结构常数α的了解,人们目前只知道其来源于电磁耦合的费曼图的顶点e(注意不是自然常数,对于物理学概念来说字母少的有点可怜),至于这个顶点怎么算的,迄今为止除了一些民间故事外,没有任何正式的记载从第一性原理计算出来。这反过来说就说我们对这个耦合顶点的结构了解不够。

如果耦合顶点满足些几何上的约束,那么其必然是可数学计算的,如果单单就是一个点,那它就可能是任意的,只是恰巧取到1/137,以后或许会变,或许不变,这些常数的可能的任意性也滋生了现代最著名的科幻派别——人择原理-多元宇宙学说的诞生。

如果有人从第一性原理计算出精细结构常数,想必九月初算出来,九月中旬就上了《人民日报》,九月下旬就接到斯德哥尔摩的列印花体信笺了。


谢题主相邀。题主你的见解即「某种意义上、尚不完备」者啊在物理学过程上——被认为是正确的;我的见识所能够说的,顶多也只是「在what意义上」、「怎生就不完备」命题上作一些阐释。

费因曼同学在讲义型名著"QED"中讲述了一个古玛雅人数石子的故事——个中蕴含乃是,咱们活著的这个物理世界啊系可以通过数自然数的基本方式而得到透彻的喻比。该认知无疑是正确的但明显也是,这个这个,偏浅显的——至少费老师自己就掌握著无数种{howNumbering的方法论};他只是让后学能够从基本构筑自己的物理学理解而放出的基础平台。

Feynman在讲义中至少提到了玛雅人对日历规划所作的数法——虽语焉不详但提及了。落到现实的(或曰历史的)科学内、就已经有著很多基本的方面了:例如从1数到3,序列的数法和转弯的数法(∟)就明显不同,而后者却昭示空间维度以及更具体地、[公式] 的产生。……

假想中的人们啊在湘云s咬字不准型「幺爱三」漫长数ing中、也就萌发了将以前数的招数作为基础来完成更高级的数法(切记这里只是比喻史实并非如此)——这样就产生了记录方法上的冲动:兼收并蓄来自语言字元与图符,物理符号就产生了虽然数学家们抢夺去了发明权但、于你而言,公式就是这样子来的。

在①认为自然数基础数法可能存在缺陷②各种数法自成一体并互相贡献③符号数学加持之三位共存下,物理学在脑思维空间外还加上了一条朴素的判别标准:希望自己鼓捣出来的公式们与实验或实践或体验——总的来说都可以叫做实验者可以吻合。这就是物理学易于纯粹数学的地方。

∞回到问题上,各种数法——其实底层应对的是可能存在的物理学规律——并不是按我们人类赋予其纸面规律地丛簇依次叠加地产生;在认识历史上,某项物理学内容(如你提及到的地球重力现象甚至万有引力导致星体运动)可能因为与人亲近而优先地得到了被认识……于是常数们就横格裂钗地摆在那里了。

∞寄语:保持学习。在更高平台上的先而知之才有普世价值,至少more言。


个人认为所有物理常数,最终都是某些数学常数组成的公式值,只不过个中的原理尚未被发现罢了。包括很多公认的基本物理常数,如光速c、万有引力常数G等。


是的。

除了c、n、π、e等单位常数之外,其他物理常数都是经验常数。

我们尚不知道公式里为什么是那些经验常数,但它们的存在必有原因。探寻它们存在的原因,就属于物理学家的工作之一。


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