我们能够构想出多种多样可能存在的宇宙版本，然而即使我们依据已知物理定律去描述它们，仍然需要一系列基本常数以界定我们的宇宙行为和演化的确切途径。正如我们所知，需要相当多的基本常数来构建现实的图景，尽管不少人期待着更全面的理论有朝一日能减少这些常数的数量。

从根本上说，我们的宇宙由粒子、力、相互作用以及空间和时间的结构所组成。时空塑造了不断演化的舞台，在这个舞台上，宇宙的戏码轮番上演，而粒子则充当了参与者角色。它们可以结合为一体，发生碰撞、湮灭、排斥、吸引，或以其他方式根据自然规律的法则互动。这些信息，再加上很久以前存在于我们宇宙中的初始状态，几乎为我们提供了解码宇宙如今面貌所需的一切。

我们需要描述所有相互作用的强度以及所有粒子物理性质的基本常数。这些信息是理解宇宙定量特性的关键，并回答诸如“多少”这样的问题。我们需要26个基本常数来呈现我们所认知的宇宙，即便有了它们，也依然无法揭示一切。

宇宙中基本粒子的其他质量决定了它们在何种条件和时间下能被创造出来。粒子质量越大，在早期宇宙中自发产生的时间也就越短。粒子、场和时空的特性都是描绘我们居住的宇宙所不可或缺的。

思考一下任意一个粒子，以及它如何与另一个粒子发生互动。比如，一个电子可能与另一个电子产生相互作用。它带有特定的基本电荷，以及一个基本的质量。电子间相互吸引的引力与重力G的强度成正比，而电磁排斥与自由空间的介电常数成反比。还有其他常数对这些粒子行为起着关键作用，例如光速c，以及与量子跃迁相关的基本常数：普朗克常数。

然而，物理学家不太喜欢在描述宇宙时使用这些常数，因为它们带有任意的维度和单位。

对于像米、千克或秒这样的单位来说，并没有本质的重要性。事实上，我们不需要定义“质量”、“时间”或“距离”的基本单位，就可以理解关于宇宙的一切。我们完全可以用无量纲的常数来描述自然界的规律。

无量纲是一个简单的概念：它指的是一个纯数，不带有米、千克、秒或任何其他“维度”。如果我们沿着这条路去描述宇宙，获得基本定律和初始条件，我们自然会推导出我们所能想象到的所有可测属性。这包括粒子的质量、相互作用的强度、宇宙速度的极限，甚至时空的基本属性。

已知的所有粒子的性质告诉我们它们将如何相互作用，而潜在的时空则描绘了这些相互作用发生的舞台。

如果我们想要尽可能简洁而全面地描述宇宙，我们需要26个无量纲常数才能实现。这是一个相对不大的数字，但并不如我们所愿那般微小。在理想的世界里，至少从大多数物理学家的观点来看，我们更愿意认为这些常数源自某个有物理意义的地方，但目前的理论尚未做出预测。

费曼图展示了电子-电子散射的所有可能历史。正电子是时间上倒退的电子，这一观点源自费曼和惠勒的合作，但散射相互作用的强度与能量有关，并由描述电磁相互作用的精细结构常数控制。

为我们提供宇宙知识的26个常数。

1)精细结构常数，或电磁相互作用的强度。就我们比较熟悉的一些物理常数而言，这是基本电荷（例如电子）平方与普朗克常数和光速之比。但是当你将这些常数放在一起时，你会得到一个无量纲的数字！就目前在我们宇宙中存在的能量而言，这个数字是≈1/137.036，尽管这种相互作用的强度随着相互作用粒子的能量的增加而增加。

2)强耦合常数，它定义了将质子和中子结合在一起的力的强度。尽管强力作用的方式与电磁力或引力非常不同，但这种相互作用的强度仍然可以通过单个耦合常数来参数化。我们宇宙的这个常数，也像电磁常数一样，随着能量的变化而变化。

标准模型中的粒子和反粒子现在都已经被直接探测到了，最后一个拦阻的希格斯玻色子(Higgs Boson)在本世纪早些时候在大型强子对撞机上发现。所有这些粒子都可以在在强子对撞机的能量下产生，这些粒子的质量导致了基本常数，这些常数对于完整地描述它们是绝对必要的。

3-17)六个夸克，六个轻子和三个大玻色子的质量。这有点令人失望。在标准模型中，我们有15个粒子：6个夸克，6个轻子，W玻色子，Z玻色子和希格斯玻色子，所有这些粒子都有很大的静止质量。虽然他们的反粒子都有相同的静止质量，但我们希望会有某种关系，模式，或者更基本的理论，用更少的参数产生这些质量。

图像中心的V形轨迹来自一个μ介子衰变到一个电子和两个中微子。高能轨道上有一个扭结，这是中间空气粒子衰变的证据。通过正电子和电子在特定的、可调的能量上的碰撞，可以随意产生μ介子-反子对。高能正电子与静止电子碰撞形成μ介子/反子对所需的能量，与产生Z玻色子所需的电子/正电子碰撞的能量几乎相同。

可能还有一些奇怪的近乎完美的关系可以推导出来：在45GeV的正电子与45GeV的电子碰撞，你有适当的能量制造Z玻色子；在45GeV的正电子与静止的电子碰撞，你有适当的能量来制造μ介子/反μ介子对。不幸的是，这种关系是近似的，不是精确的，产生Z玻色子的能量更接近46GeV，制造μ介子/反μ介子对的能量更接近44GeV。如果有一个真实的理论来描述我们的粒子质量，我们还没有发现它。

因此，需要十五个常数来描述已知的质量。唯一的好消息是我们可以拯救自己另一个常数。通过将这些质量参数相对于引力常数G进行缩放，我们得到了15个无量纲参数，而不需要单独描述引力的强度。

质子的三价夸克有助于它的自旋，胶子、海夸克和反夸克以及轨道角动量也是如此。静电排斥和强大核力的吸引力共同决定了质子的大小，夸克混合的性质是解释宇宙中自由粒子和复合粒子的集合所必需的。

18-21)夸克混合参数。我们有六种不同类型的夸克，因为三种夸克有两个子集，它们都有相同的量子数，所以它们可以混合在一起。如果你曾经听说过弱核力、放射性衰变或CP破坏，这四个参数--所有这些参数都必须(而且已经)被测量过，都需要对它们进行描述。

22-25)中微子混合参数。类似于夸克扇区，有四个参数详细描述了中微子是如何相互混合的，因为这三种中微子物种都具有相同的量子数。尽管物理学家最初希望中微子是无质量的，并且不需要额外的常数，但大自然却有其他的计划。太阳中微子问题--太阳发射的中微子只有三分之一到达地球--是20世纪最大的难题之一。

我们还没有测量到中微子的绝对质量，但是我们可以从太阳中微子和大气中微子的测量中分辨出质量之间的差别。大约0.01 eV的质量尺度似乎最适合这些数据，并且需要四个总参数来理解中微子特性。

只有当我们意识到中微子：

·有很小但不是零的质量，

·混合在一起。

·从一种类型振荡到另一种类型。

夸克混合由三个角度和一个CP破坏复相来描述，中微子混合用同样的方式描述。虽然已经确定了夸克的所有四个参数，但中微子的CP破坏相位仍未被测量。

宇宙的不同可能命运，在最右边显示宇宙实际的，加速的命运。在足够长的时间过去后，加速度将使每一个被束缚的星系或超星系结构在宇宙中完全隔离，因为所有其他结构都会不可挽回地加速离开。我们只能回顾过去推断暗能量的存在和性质，这需要至少一个常数，但它对未来的影响更多。

26)宇宙常数。你可能听说过，由于暗能量的作用，宇宙的膨胀正在加速，这还需要另外一个参数--一个宇宙常数，来描述这种加速度的大小。暗能量可能会比常数更复杂，在这种情况下，它可能还需要更多的参数，因此，它的数目可能大于26。

如果你给一个物理学家物理定律，宇宙的初始条件，和这26个常数，他们可以成功地模拟整个宇宙的任何方面。非常值得注意的是，你得到的结果看起来和我们今天的宇宙几乎没有什么区别，从最小的亚原子尺度一直到最大的宇宙尺度。

好吧，差不多了。

即使这样，仍然有四个谜题可能需要额外的常量来解决。它们是：

1)物质-反物质不对称之谜。如今可观测的宇宙海洋中，物质占据了压倒性的优势，与此同时，其镜像双胞胎——反物质却难觅踪影。科学家们绞尽脑汁，仍未找到造成这种不对称性的理由，也对宇宙为何拥有如今这么多的物质含量感到困惑。这一难题被称作重子产出问题，是现代理论物理界的未解谜团，或许需要引入某个（或某些）新的基础常数来揭示其谜底。

2)宇宙加速膨胀之谜。这段宇宙历史发生在大爆炸之前，短暂而又神秘，现已有众多理论预测并得到了观测事实的支持。这一宇宙膨胀现象未见于上述概述，然而，随着我们对其认识的加深，很可能需要新增一些常数来描述其详细机制。

3)暗物质的存在之谜。它极有可能由一种（或多种）新型的大质量粒子构成，这无疑意味着我们需要增加新的常数。暗物质的本质复杂，其所需的新常数数量仍不确定，但毫无疑问，至少需要引入一个新常数，实际情况可能需要更多。

4)强CP破坏的疑团。我们在弱相互作用中观察到了CP破坏的迹象，中微子研究也预示其存在，但在强相互作用中，尽管没有理由说它不可能，我们仍未能找到强CP破坏的痕迹。若真存在，则应有更多的自由参数；若非如此，那么描述其禁绝机制的额外常数似乎不可避免。

宇宙的膨胀时期，伴随着固有的量子波动，塑造了宇宙微波背景中的物质密度起伏。这些波动如同宇宙的指纹，促成了今天我们所见的星辰、星系以及其他大规模结构的诞生。这是我们所能描绘的最详尽宇宙图景，它所涉及的常数数量，远超那些经过精确测量的宇宙模型所需的26个常数。

我们的宇宙充满复杂与神奇，然而，对于那个统一理论的终极梦想——万有理论而言，它原本应减少我们需要的基本常数的数目。可讽刺的是，现实中，我们对宇宙了解越深入，新发现的参数就越多，需要更多常数去全面描述这个宇宙。如今，重要的是我们认清自身的处境，以及描述已知世界所需的那些常数。

但我们仍未掌握宇宙的全貌，所以持续探寻更全面的理论范式同样至关重要。一旦我们取得成功，它将为我们铺开宇宙的全部奥秘，连同当前所有问题的答案。