宇宙物理學大廈要崩？遙遠天體暗示：這個常數在宇宙各處數值不同

2023-03-31 13:00:56 1

在物理學中，不同領域有許多常數可以幫助科學家進行複雜的計算。當我們上學的時候，我們也學到了許多常數，比如萬有引力常數、普朗克常數、光速等等。

可以說，這些常數在我們的宇宙中是恆定的，因為宇宙遵循同樣的物理定律。然而，最近的研究發現，即使在我們的宇宙中，某些位置的物理常數實際上與我們星球上的物理常數不同。

這次讓科學家震驚的是傳說中的精細結構常數。

精細結構常數起源於玻爾對氫原子光譜的解釋，索末菲在深入研究時提出了這一常數，因此也被稱為索末菲常數。

精細結構常數α = e 2/(4π ε 0c)，其中e是電子的電荷，ε0是真空介電常數，是還原的普朗克常數，c是真空中的光速。計算結果表明，精細結構常數約為1/137。雖然玻爾的原子模型後來被推翻了，但物理學家發現精細結構常數在測量電磁力等方面具有重要意義，所以它一直被保留下來。

此外，精細結構常數非常有趣。它不僅是一個非常罕見的無量綱(即無單位)物理常數，而且經過簡單的變換就可以得到許多數學常數。因此，自從精細結構常數被提出以來，無數科學家都被它迷住了。著名物理學家保利的臨終時間是137年，這也使他在思考精細結構常數時死去。精細結構常數的內容非常複雜，所以我們有機會單獨介紹一個程序。

然而，最近碰巧這樣的常數不是「常數」。科學家對遙遠宇宙的觀察表明，在宇宙的不同位置，精細結構常數可能不同。

這一發現基於宇宙的各向異性。我們剛剛介紹了美國宇航局的最新觀測數據，數據顯示，科學家們長期以來一直認為宇宙各向同性理論可能會被推翻。所謂宇宙的各向同性意味著當觀察範圍擴大到一定程度時，我們在任何方向觀察的宇宙都是相同的，這意味著宇宙沒有中心。然而，美國宇航局對幾十個星系後退速度的研究表明，這一理論可能是錯誤的，這意味著宇宙有一個中心。

不僅有一個中心，新的研究還表明宇宙中甚至存在「南北」差異。通過電磁學的理論和發現，科學家有望為宇宙指明一個明確的方向。

澳大利亞新南威爾斯大學(UNSW)的天體物理學家約翰·韋伯說:「(新的研究)似乎證實了這個猜想，也就是說，宇宙中可能真的有方向性，這真的很奇怪。從統計角度推斷的宇宙各向同性可能會被推翻。」

那麼，宇宙南北之間的所謂差異是什麼意思呢？

韋伯進一步解釋說，宇宙中可能有一個特定的方向(或兩個方向，即同一點的兩邊)，物理定律沿著這個方向變化。然而，在垂直於它的方向上，物理定律仍然是穩定的。"換句話說，宇宙在某種意義上有一個偶極結構."

如果你仍然感到有點困惑，最好通過我的類比來理解它:因為地球是一個橢球體，赤道半徑比極地半徑稍長。因此，重力加速度G隨緯度變化。但是在相同的緯度上，G是不變的(這裡不考慮地形)。根據新的發現，宇宙中的物理定律也會隨著「宇宙的緯度」而改變，但它們在同一「宇宙的緯度」上是不變的。

那麼，什麼是韋伯偶極子？事實上，它非常簡單，即一對相反的電荷或磁核，它們可以形成電場或磁場。

電磁力在我們的宇宙中扮演著極其重要的角色，我相信這不需要太多的解釋。例如，宇宙中的每一個原子都被電磁力束縛，使得電子真實地圍繞著原子核。沒有電磁力，所有原子都會分解。同樣，電磁波也是宇宙中的重要元素，光是其中之一。

正是通過對電磁力的觀察，科學家們發現了宇宙中精細結構常數的微弱變化——看看精細結構常數的計算公式，你就會明白它與電磁學的關係有多密切。

利用智利的超大型望遠鏡陣列(VLT)，研究小組已經四次觀測到130億光年以外的類星體——這是宇宙中最原始的現象。通過超大型望遠鏡強大的觀測能力，他們研究了早期宇宙中的電磁力。

「當我們把所有的觀察數據放在一起時，我們會發現，」韋伯說，「隨著我們觀察的距離越來越遠，電磁力似乎越來越大；當我們朝相反的方向看時，它會逐漸減少。」然而，這個觀察結果也表明精細結構常數隨著宇宙空之間位置的變化而略有不同。

這給科學家們帶來了一個深刻的思考:那些我們似乎「恰到好處」的科學巧合真的適用於整個宇宙嗎？我們的宇宙遵循同一套定律嗎？

如果他們的發現得到證實，這無疑將是對現代宇宙學的巨大衝擊。

巧合的是，證據會出現。

美國有一群研究人員長期致力於x光的研究，但卻意外地發現了相關證據。當他們觀察宇宙時，他們還發現宇宙的不均勻性似乎隱藏了一些很久以來都不為人知的排列。巧合的是，他們發現的可能的安排與新南威爾斯大學的研究小組完全相同。

儘管兩個團隊的研究結果相互印證，但我們仍然需要更多的證據來證明這一點。但是可以肯定的是，如果宇宙真的像他們說的那樣有一個特定的排列方向，那麼我們對宇宙的知識將會被重建。與此同時，我擔心物理學的「建築」也會遭遇一場強烈的「地震」。

「我們的標準宇宙模型是基於一個各向同性的宇宙，」韋伯說。「標準模型本身是基於愛因斯坦的引力理論，該理論明確假設了自然法則的不變性。如果這樣一個理論只是一個普遍的結果，那麼一些非常令人興奮的物理學新門將會打開。」

事實上，精細結構常數是否是常數的問題聽起來有點神秘，但是科學家們確實好奇了很長時間。直到今天，我們終於找到了一些證據。然而，這一證據不僅有望解決科學家們長期以來一直好奇的「小問題」，而且還會帶來一個將會引發整個宇宙模型的「大問題」。

可以肯定的是，我們正在經歷一個特殊的時代，在這個時代裡，物理建築不斷打開新的大門，讓我們看到一個全新的世界。包括所謂的第五基本力、第五物質狀態等等，都可能浮出水面。這將是物理學取得突破的一個機會，也許人類通往宇宙的道路正在一點一點打開。