在宇宙最極端的環境裡,這個基本常數依然保持不變!

2021-02-15 原理

今天，我們對宇宙的理解主要是基於兩個理論：廣義相對論和粒子物理學的標準模型。儘管它們極其成功，但一些物理學家預期它們會在某些條件下失效。物理學家提出了許多試圖超越它們的理論，一些替代理論預言那些被認為在宇宙中任何地方都應該保持的不變的自然常數（比如光速或萬有引力常數等）或許會隨著時間和空間發生輕微的改變。

最近，一個國際合作的物理學家團隊選擇在宇宙中最極端的環境中，檢驗一個非常重要的常數——精細結構常數是否會發生變化。他們的研究結果表明，精細結構常數或許是最「血性」的一個基本自然常數！因為即使在黑洞的「地盤」上，它依然維持不變。

精細結構常數是一個無量綱常數，它由光速、電子電荷等其他幾個基本常數構成，約等於1/137。它是量子電動力學（QED）的核心。QED是電磁力的量子理論，它描述了光與物質間的相互作用，而精細結構常數決定了相互作用的強度。

一直以來，物理學家好奇於為什麼它的值約等於1/137。而且這個值的大小對宇宙至關重要，如果它的值太大，質子間的排斥力會增加，那麼小原子核就無法結合在一起；如果這個值太小，分子鍵會在低溫下斷裂，從而改變許多重要的生命演化過程。

此前，已有不同的物理學團隊在地球上進行過一系列非常精確的實驗測試，證明了精細結構常數不會隨時間變化。2010年的一項研究曾提出，精細結構常數有可能會隨著科學家向外太空探索的深入而發生變化，其值可能會沿某些方向增加或減少。因此，科學家一直試圖用各種方法對這個常數進行測試。

有研究人員曾在緻密的白矮星表面探索精細結構常數，那裡也有著非常極端的引力環境，但他們並沒有發現任何顯著的變化。因此研究人員想要知道，在更加極端的引力環境中，比如黑洞附近，結果是否會不同。

在一篇剛剛發表於《物理評論快報》的研究中，物理學家就在銀河系中心的超大質量黑洞附近，用一種新的方法，對決定了帶電粒子互相吸引程度的精細結構常數進行了檢驗。

這次，論文的作者是通過觀測在銀河系中心的超大質量黑洞周圍的五顆恆星的星光，來尋找精細結構常數是否有什麼不同的蛛絲馬跡。這五顆恆星分別是S0-6、S0-12、S0-13、S1-5和S1-23，它們是晚型巨星，大氣中都擁有多種原子的吸收線。吸收線指的是，當來自這些恆星的星光被分解成不同的波長時，可以顯現出吸收譜線的特徵，這表明特定波長的光被某些原子吸收了。

○ 一群環繞著銀河系中心的超大質量黑洞的恆星。通過觀測五顆這樣的恆星，物理學家證明了黑洞附近的精細結構常數與地球上的相同。| 圖片來源：ESO/L. CALÇADA/SPACEENGINE.OR

不同吸收線對精細結構常數具有不同的敏感度。因此，如果銀心的精細結構常數發生了任何變化，每一種吸收線都會受到不同程度的影響。通過比較不同吸收線與在地球上測量的值的差異，就可以直接估算出精細結構常數的變化。

通過分析這五顆恆星的光譜測量結果，研究人員計算出的精細結構常數的相對變化小於10⁻⁵。換句話說，最新測得的吸收線基本與預期高度一致。

這是科學家首次在黑洞附近研究精細結構常數的變化，也是首次在一個高引力勢的黑洞周圍探索自然常數的變化。這是一次具有重大意義的突破，因為它開啟了通過監測銀河系中心的恆星來探索基礎物理學的新方法，標誌著一種新型研究方法的開始。

https://arxiv.org/pdf/2002.11567.pdf

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