著名的奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利曾說過：“當我死後，我將向上帝提問的第一個問題是，精細結構常數的意義是什麼？”美國物理學家理查德·費曼將其描述為“我們無法理解的神奇數字”。
這個常數用希臘字母α表示，它是一個無量綱數，無論選用什麼制式的單位它都有相同的值——大約1/137。表面上看它沒有什麼特別之處，但其實它的精確值非常重要。一些研究表明，如果它的數值偏離4%，那麼我們就不復存在，因為恆星將無法聚變產生碳和氧，這也是有些人相信宇宙為生命進行微調的原因。
這個常數在物理學中似乎無處不在，但是它的值目前還不能從任何理論中直接預測出來，它是我們必須在宇宙中透過實驗測量的基本常數之一。它是我們手動插入粒子物理學標準模型的引數之一，這可以使該理論更好地工作。一些科學家甚至提出了137的神秘意義，因為它也在宇宙的其他地方出現。
這個神秘的數字是什麼？它為什麼會有這樣一個數值？這又代表了什麼含義？我將盡我所能簡述這個常數背後複雜的物理原理。
精細結構常數是什麼
精細結構常數α的方程如上圖。曾經有一段時間，人們認為它正好是1/137，但隨著技術越來越先進，我們所測量的值也越來越準確。現在的問題是，導致這個神秘數字公式的物理解釋是什麼？如果我們仔細研究這個公式，我們可以用幾種不同的方式寫出它，並思考這個數字代表的含義。
首先，它可以寫成兩個能量的比值：克服相距為d的兩個電子的靜電排斥所需的能量比上波長為λ的光子的能量。另一種排列方法會得到更容易理解的比例：經典軌道中電子的速度與光速之比。換句話說，在經典的原子模型中，電子繞軌道運動的速度大約是光速的1/137。但是，這種理解存在於玻爾的原子模型中，隨著薛定諤方程的提出和對量子力學的深入瞭解，我們知道電子是一個帶負電的機率雲。
精細結構常數怎麼產生的
我們知道這個常數已經有100年之久了。1916年，德國物理學家阿諾德·索末菲在擴充套件玻爾的原子模型時引入了這個常數。
1912年，尼爾斯·玻爾提出了一個原子模型，其中電子繞原子核運動，就像太陽系中的行星繞太陽運動一樣。但兩者不同的是，玻爾提出電子只能佔據與普朗克常數成比例的某些能級，他把這些能級稱之為原子軌道。換句話說，這些軌道中電子的能量被量子化了。當電子從較高的軌道轉移到較低的軌道時，它們以光子的形式釋放能量；當它們從較低的軌道移動到較高的軌道時，它們會吸收能量。玻爾的原始方程如下圖，他的方程指出，能量取決於量子數n，也就是電子所在的軌道。
該模型解決了經典物理中的幾個問題，並有助於我們目前對量子力學的理解。但它未能精確再現原子發出光的實驗結果，它只是根據主軌道來預測原子的結構，沒有考慮到電子的自旋或相對論效應。阿諾德·索末菲能夠證明，原子存在更精細的結構：具有亞軌道，並引入了一個引數：電子速度與光速之比。他引入了精細結構常數，更準確地描述了原子能量發射的觀測結果。
為什麼精細結構常數如此重要
一方面，這個常數很小，這意味著與強核力相比，電磁力相對較弱，其結果是電子軌道離質子有相當大的距離。這可以從玻爾半徑方程來理解（下圖），我們可以看到精細結構常數α越小，原子的半徑越大。如果一個原子的原子核大小相當於一個高爾夫球，那麼電子機率雲的大小將延伸到2.5公里。這一距離使得原子中的電子可以相對容易地與其他原子交換，從而發生化學反應，生命也就有了可能。
另一方面，α的值也不會太大，否則原子不會在一開始就形成。所以在我們的宇宙中，α值相對平衡，不會太高也不會太低，處於“金髮姑娘區”。1967年，英國天文學家弗雷德·霍伊爾等人研究出了恆星產生碳氮氧的過程，他們發現只有α處於適當值時，氦聚變才會更容易產生碳元素，生命的存在才可能。如果這個常數相差4%左右，要麼氦不會聚變，要麼恆星會過快燃燒。
精細結構常數真的是常數嗎
α值會隨著能量條件的變化而變化，這就是量子電動力學理論所表明的耦合。在宇宙溫度接近絕對零的的時候，它確實非常接近1/137。但是在10^15開爾文這樣的高溫之下（宇宙大爆炸時期出現的溫度），科學家認為α的值應該為1/127或更大。
許多人認為α值有神秘的意義，因為它也出現在宇宙的其它地方。例如，目前我們的宇宙大約有137億年的歷史。
