中国的皇帝拥有不受任何制约的无限权力,砍人家的脑袋只要动一动嘴皮,易如反掌。唯一能使他们感到畏惧的只有玉皇大帝。古代的一则笔记小说上说,明太祖朱元璋晚年生性多疑,杀戮过度。有一天,天上突然响起了晴天霹雳,震坍了宫殿的一角,落地的雷火追杀朱元璋。他吓得面如土色,叩头如捣蒜,并连连向上帝谢罪,一面作出承诺:“陛下赦臣,臣赦天下”。从此以后,他就不敢乱杀人,比前期宽松多了。
上帝的鞭子
但是,在西方,居然有一位不怕上帝的人,那就是出生于1900年的犹太物理学家泡利(W.Pauli),他被人们公认为“一代奇才”、世纪精英。
泡利一生对量子物理学作出了重大贡献,他提出的“不相容原理”堪称微观物理学的金科玉律,而“中微子假说”也是非常基本、非常独特的创见。
泡利为人不苟言笑,治学十分严谨。他批评起别人来不讲情面,不留余地,有时甚至要骂人“笨蛋”。然而泡利绝非学阀,作风也很光明磊落。他不大会处世,措辞也许不当,但动机很纯正,完全出于从严要求,一心为了学术研究。泡利由此而得了一个外号,叫做“上帝的鞭子”。
泡利对上上下下的各色人等都是一视同仁的,不仅对凡夫俗子,即便是至高无上的上帝耶和华,他也不肯卖帐。下面的一则脍炙人口的趣谈,足以略窥他的一贯作风。
精细结构常数(fine structure constant) 1/137出现于微观物理世界,先是在光谱理论中崭露头角,后来又在粒子理论中憧憧往来,它是一个没有量纲的纯数。泡利希望找到一种理论能自然而然地给出这个常数的值,可是他在有生之年却始终找不出什么线索,不免抱憾终身了。
按照天主教、东正教或基督教的教义,虔信上帝的好人死后,灵魂可以进人天堂,那时上帝就会满足他的一切愿望。据说泡利到了天堂以后,上帝和颜悦色地问他,打算要点什么好东西?他说别的事情都不想,只想知道精细结构常数为什么等于1/137。上帝听了此话,就给他几张纸片,说道:“答案就在这上面。”岂知泡利看了纸片上书写的东西之后,居然操着德语打官腔:“Dasist Falsch!”(这是错的) 好厉害的泡利,连上帝都得挨他的批评。怪不得人们听了这一半神话、一半寓言的幽默故事后,风趣地说:“泡利不光是上帝的鞭子,连上帝也吃了他一鞭子!”
一些蛛丝马迹
精细结构常数既然不带量纲,是个纯数,那么数学自然有权管它。起码它也是个“双重国籍者”,并不只是物理王国的子民。下面就从纯数学的角度,对它作一些探讨,首先是把各种性质收集起来。
分母137是个素数,它只能唯一地表示为两个平方数之和:137=16+121=4^2+11^2在137中,各位数字的立方和是1^3+3^3+7^3=1+27+343=371。
由此导出的371是个有名的“黑洞数”,因为按照下述的变换方法,371是不变的:3^3+7^3+1^3=371。
137这个素数,脾气有点怪,因为1/137在化成十进小数时,循环节只有8位(作为强烈对比,可以看到1/97的循环节长达96位)。
根据欧拉函数的理论,1/P的循环节的位数m应是满足下列同余式10m一1(modp)的最小正整数,而事实上10^8一1=99999999确实能被137整除。下表给出一些素数p的倒数的循环节。
由此可见,在21个被调查的素数分母中,仅有p=137一例的循环节特别短,而其他素数分母的循环节都是令人可厌地冗长,可见137这个数确实有些凤毛麟角,与众不同,有它的独特之处。
更加令人注意的是1/137展成十进制小数时所表现出来的回文性质(palindromic property):
1/137等于循环节为00729927的无限循环小数。
729927是个货真价实的回文数,从左至右读过去同从右至左读过来完全一模一样。
同号称“万物之灵”的人一样,回文其实是表现在语言、文字中的一种双侧对称(bilateral symmetry)现象,其中的微言大旨,颇有点耐人寻味了。
729927的素因子分解式为729927=32×11×73×101。其中有两个算式均可得出回文:729927÷73=9999;729927÷101=7227。另外73x137=10001,乘积是回文数,73与137这两个因子表面上看来虽非回文,但73与137耦连而成的73137却也是个回文数。
从1/137到136/137,这136个真分数的每一个都可以化成循环小数,其循环节一律都是8位,而且可以“一分为二”地分成前后两段,两段中对应数字之和都等于9。不妨随便举出一例:6/137=0.04379562,而0437+9562=9999。
轨道的探求
分数N/137(1≤N≤136)可以分成17个轨道(orbit),也可以称为族(family)。而每个轨道由8个成员构成。17个轨道的推求方法基本类似,伤其十指,不如断其一指,只要把其中的一个轨道求出来,其他就不难“举一反三”地一一求得。下面就任择其中(选取是不抱偏见、完全任意的)之一来说说。
实际上,以下的八数可以构成一个轨道:
轨道中的各数均为无限小数但可以有限处理。从两个“能级”最低的成员出发,差为9489051—5109489=4379562,而4379562÷729927=6,得到的商恰为整数! 这就强烈地暗示了回文数729927的“量子”单位性质。
再看另一对,15/137与67/137之间为何要隔开这样长的一条“鸿沟”呢?
差为48905109—10948905=37956204,而37956204÷729927=52。结果竟然完全吻合,不亦快哉!
值得人们注意的是,如以1/137作为单位,则轨道八个成员之间的“级差”也表现了下列很奇异的回文对称性:
精细结构常数与量子论有关,而探索其秘钥时却用上了“量子”概念(尽管它是以数学形式出现的),这倒是应验了一句老话“解铃还须系铃人”哩!
“精细”体现在哪里
“轨道”中各成员数之间的关系就像是节日(如正月十五元宵灯节)里常见的做成宫灯形状的“走马灯”一样:
怎样从“走马灯”的一态转成另一态呢,建议大家来做一个离经叛道的乘法(数字表面上很繁琐,其实不难。只要用一下CASIO计算器就行了)。10948905×8.26666666(乘数已用到七个6)=90510947.93。
干脆来个“一不做,二不休”,在末位按上八个6,此时就得出10948905×8.266666666=90510947.99。这就强烈暗示乘积应是不折不扣的整数90510948,不过此时已到了CASIO计算器使用功能的极限,九个6已经按不动,不起任何作用了!乘数必须是无限小数8.26666…(或简单地记为8.26),才能天衣无缝地得出正整数90510948所谓精细,其微妙处原来就是无限与有限之间的矛盾统一与转化。
想要彻底揭开精细结构常数1/137的“自然之谜”,看来非得数学家与物理学家通力合作不可!
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