「精細結構常數」實為變數

2020-11-23 中國科學院

在宇宙學理論裡,一項最有爭議的問題是:為何自然界基本常數就像是為我們特別設計好的一樣?據物理學家組織網9月6日(北京時間)報導,這些基本常數之一的「精細結構常數」,現在被科學家以確鑿的證據表明其實為變數。假如結果得到公認,那麼物理學家必然要重新思考許多他們所珍視的物理定律,甚至包括曾備受推崇的愛因斯坦的核心理論。

電子和質子之間的結合力,又被稱為「精細結構常數」。有科學家們早就懷疑該常數可能從古至今不斷在變化,為生命而調整。因為100億年以前的這種結合力要比如今的要弱20萬倍。

然而,用時空的幾何性質來描述引力現象的廣義相對論卻不允許「精細結構常數」隨時間改變——包括廣義相對論在內的一切幾何化引力理論,其基礎是等效原理,它要求任何在引力場中做自由落體的局域參照系中所做的非引力實驗都有完全相同的結果,而與實驗進行的時間、地點無關。這是科學家們對「精細結構常數」發生明顯變化仍持不同看法的原因。

日前,澳大利亞新南威爾斯大學物理學家約翰·韋布和同事在一篇論文中指出,「精細結構常數」確實在變。他們運用位於夏威夷莫納克亞山、面向北方的凱克望遠鏡,以及位於智利、面向南方的甚大望遠鏡,共觀測了超過100個類星體,選擇類星體的共同特點是:極其遙遠,極其明亮,且內部中心都有一個大質量黑洞提供能量。

在類星體的光到達地球途中,會穿過氣體雲中的原子並被原子有所吸收,如果「精細結構常數」有任何改動,那麼不同距離上氣體雲中的原子會吸收波長略有差異的光。而綜合了這兩臺望遠鏡對相反方向觀測而得的光譜數據後,科學家們發現了「精細結構常數」的空間依賴性:其在一個方向上(北方),會隨時間而略微變弱;而同時在了另一個方向上(南方)則略微變強。

這一研究帶來的直接影響,就是違反了物理定律在宇宙中「放之四海而皆準」的常規認識,廣義相對論也必然要進行修正,因為它的核心——等效原理被打翻了。而愛因斯坦曾以此建立出有限的宇宙模型,它的打破意味著,宇宙可能遠比目前所想要大得多,甚至無極限。

美國麻省理工學院的宇宙學家馬科思·泰格馬克評論說,如果結果得到公認,那必將是轟動性的。但他個人表示懷疑,因為對這種觸及到物理學最根本的發現,往往需要更多證據加以充實。

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    英國科學家最近利用可見光線射過單層的石墨烯(graphene),瞥到一個重要但神秘的宇宙基本常數——精細結構常數(fine structure constant)。相關論文在線發表於《科學》雜誌上。
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    本報訊 英國科學家最近利用可見光線射過單層的石墨烯,瞥見一個重要但神秘的宇宙基本常數——精細結構常數。相關論文在線發表於《科學》雜誌上。 宇宙萬物和地球生命實際上受到一些精確數字的控制,這些常數包括光速、一個電子電荷等。
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    精確測量精細結構常數是確立新的國際單位制的重要一步,近日,由中國計量科學研究院承擔完成的「十一五」國家科技支撐計劃項目課題「精細結構常數測量關鍵技術及電容基準的研究」順利通過由金國藩院士為組長的專家組驗收。
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    原標題:【物理探索】精細結構常數,一個讓無數物理學家為之痴迷的數。 精細結構常數,可能是物理學中最讓人感興趣的常數。這就是所謂的「精細結構」(fine structure),在太陽和恆星光譜中都存在。能級劈裂的寬度正比於α,這就是「精細結構常數」之名的來源。 α也引起了一些深奧的理論問題。物理學中引人注目的無單位常量,除了精細結構常數以外,還有電磁力與引力強度的比值:1040(沒錯,引力就是這麼弱)。
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    鑑於萬有引力常數是一個小數,那麼,它究竟是有理數還是無理數呢?事實上,萬有引力常數並非真正意義上的常數,它可以是一個有理數,也可以是一個無理數。原因在於萬有引力常數是有量綱的,它的大小會隨著單位制的變化而改變,可以變成任意數值。在國際單位制下,萬有引力常數與米、千克和秒有關,而這些單位都是人為定義的。
  • 在宇宙的不同方向上,這個基本常數會有所不同?
    科學家發現在宇宙的某些區域,精細結構常數存在差異,它不僅是時間上的函數,而且也是方向上的函數。精細結構常數是對自然界中的基本力之一——電磁力(另外三種為引力、弱核力和強核力)的一種度量,在電磁力的作用下,電子繞著原子中的原子核旋轉,如果沒有電磁力,所有的物質都會分崩離析。
  • 超大規模望遠鏡下的自然常數
    今年的諾貝爾獎得主、來自UCLA的安德裡亞·蓋茲和其他研究人員,已經測量了強大引力是如何改變精細結構常數的。精細結構常數,是定義物理宇宙(以及宇宙中生命)的自然常數之一。這項研究也延伸了其他正在進行中的工作,從而去理解這些常數,以及去弄清楚它們是否會隨時間和空間而改變。研究人員希望通過這些研究,找到基本粒子標準模型和當前宇宙學中種種問題的解決線索。
  • 澳科學家研製原子鐘測量宇宙基本常數
    他們的原子鐘將用於一項實驗,測量宇宙的一個基本常數。邁克菲倫等人研製的原子鐘採用稀土元素鐿的原子製造。他說:「與其將它們看成鐘錶,我更喜歡將它們視為人類的終極精度機器。」  與採用微波的標準原子鐘不同,鐿原子鐘將在更高的光頻段下運轉,將時間分割成大約10萬份,用以獲得更高的精確度。
  • 在宇宙的不同方向上,這個基本常數會有所不同?
    精細結構常數是對自然界中的基本力之一——電磁力(另外三種為引力、弱核力和強核力)的一種度量,在電磁力的作用下,電子繞著原子中的原子核旋轉,如果沒有電磁力,所有的物質都會分崩離析。 電磁力被認為無論在時間還是空間上都不會發生變化的力,但在過去的20年裡,天體物理學家John Webb教授注意到精細結構常數的數值似乎存在異常,他發現在宇宙某個特定方向上所測得的電磁力似乎略有不同。