在宇宙的不同方向上,這個基本常數會有所不同?

2020-11-23 騰訊網

精細結構常數（α）是自然界的一個具有深刻內涵的常數，它是一個無量綱常數，與光速、普朗克常數以及電子電荷有關，約等於1/137。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。

精細結構常數α約等於1/137，它是自然界中三個基本常數的組合。

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。

正如前面所說的，精細結構常數表徵了電磁相互作用的強度，假如這個值再大一點，那麼電磁力就會更強，原子會更小；但反過來假如這個值再小一點，那麼原子就會變得更大。

就在一篇最新發表於《科學進展》雜誌上的論文中，Webb領導的研究團隊報告了4個最新的精細結構常數的測量值。新的結果是基於從130億光年之外的類星體發出的光而測得的，他們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。這樣的測量結果似乎印證了精細結構常數確實存在微小變化。

面對這樣的結果，Webb本人也覺得難以相信。當他第一次發現這種跡象時，他的第一反應是質疑設備是否出現了故障，或者他是否在計算上或別的什麼方面犯了錯誤，才導致了這些不尋常的數值。當他們使用甚大望遠鏡（VLT）對位處最遙遠處的類星體進行觀測時，首次測得了這種異常數值。

類星體是一類可以釋放出極高能量的天體，已知的最遙遠的類星體距離我們大約120到130億光年。因此，研究來自這些遙遠類星體的光，實則是在研究宇宙才剛剛誕生10億年左右時的性質。

在新的研究中，他們就對一顆能讓我們追溯到宇宙只有10億歲左右時的類星體進行了觀測。沿著這顆類星體的一個方向，他們對精細結構常數進行了4次測量。這4個測量並沒能對電磁力是否存在可察覺的變化提供任何結論性的答案。然而，當他們將新的結果與其他許多科學家對遙遠類星體進行的一些不想管的測量結合在一起時，發現了精細結構常數存在的明顯差異。

研究人員因此得出一個難以置信的結論：宇宙可能真的存在某種方向性。

這意味著，宇宙可能不是各向同性（從統計學上看，在各個方向上都一樣）的，而是在某些方向上，物理定律會發生改變。換句話說，宇宙在某種意義上具有偶極結構。

新的觀測數據表明，在宇宙的一個特定的方向上，電磁力似乎會逐漸增加，在相反方向上逐漸減弱；而在宇宙的其他方向上，精細結構常數保持不變。換句話說，我們原本以為的星系、類星體、黑洞、恆星、氣體雲和行星有隨機分布散落的宇宙，忽然間好像有了「南北極」。

這著實是一個令人瞠目結舌的結論，它所帶來的結果可以是顛覆性的。在一則採訪中，Webb表示在一定程度上他對此仍持懷疑態度，他想知道這種不同是否只是一個巧合，比如是由於在地球的不同地點、不同的時間、使用了不同技術進行測量才導致的。

但是，這真的是一個巧合嗎？

有趣的是，在另一項研究中，波恩大學和哈佛大學的一組研究人員在對Webb的工作不知情的情況下，也獨立得出了宇宙具有某些方向性的結論。只不過他們測量的不是物理定律，而是星系和星系團的X射線特性以及宇宙學距離。他們的研究也同樣表明宇宙的性質並非各向同性，而且有一個首選方向，而這個方向與Webb他們測得的方向一致。

對此，Webb表示他很期待看到更多的觀測能表明電磁性在宇宙的某些區域具有方向性，如果這一點能在未來的研究中繼續得到證實，那麼這或許能有助於解答為什麼宇宙是現在的樣子，以及生命為什麼會存在等大問題。

很長一段時間以來，人們一直認為自然法則似乎為生命的繁榮創造了完美條件，電磁力的強度就是其中的條件之一。如果它在宇宙某處的數值與我們在地球上測得的不同，哪怕這種不同非常微小，都能導致宇宙發生完全不同的化學演化，從而使生命可能無法開始。

我們的宇宙學標準模型是建立在宇宙各向同性的基礎之上的，因此如果宇宙中存在方向性，那麼支撐著整個現代物理學的許多最基本的概念都將需要被修正。

這個標準模型本身建立在愛因斯坦的引力理論基礎之上，而廣義相對論本身也明確地假定了自然法則在時空中的不變性。但是，如果這些基本原理如最新結果所暗示的那樣，只是一種近似的話，那麼我們或許即將迎來物理學中的一些激動人心的新思想。

參考來源：

https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/new-findings-suggest-laws-nature-not-constant-previously-thought

封面圖來源：ESO Observatory

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