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宇宙物理学大厦要崩?遥远天体暗示:这个常数在宇宙各处数值不同

2020-04-29 10:52:13 作者:

在物理学中,不同领域有许多常数可以帮助科学家进行复杂的计算。当我们上学的时候,我们也学到了许多常数,比如万有引力常数、普朗克常数、光速等等。

可以说,这些常数在我们的宇宙中是恒定的,因为宇宙遵循同样的物理定律。然而,最近的研究发现,即使在我们的宇宙中,某些位置的物理常数实际上与我们星球上的物理常数不同。

这次让科学家震惊的是传说中的精细结构常数。

精细结构常数起源于玻尔对氢原子光谱的解释,索末菲在深入研究时提出了这一常数,因此也被称为索末菲常数。

精细结构常数α = e 2/(4π ε 0c),其中e是电子的电荷,ε0是真空介电常数,是还原的普朗克常数,c是真空中的光速。计算结果表明,精细结构常数约为1/137。虽然玻尔的原子模型后来被推翻了,但物理学家发现精细结构常数在测量电磁力等方面具有重要意义,所以它一直被保留下来。

此外,精细结构常数非常有趣。它不仅是一个非常罕见的无量纲(即无单位)物理常数,而且经过简单的变换就可以得到许多数学常数。因此,自从精细结构常数被提出以来,无数科学家都被它迷住了。著名物理学家保利的临终时间是137年,这也使他在思考精细结构常数时死去。精细结构常数的内容非常复杂,所以我们有机会单独介绍一个程序。

然而,最近碰巧这样的常数不是“常数”。科学家对遥远宇宙的观察表明,在宇宙的不同位置,精细结构常数可能不同。

这一发现基于宇宙的各向异性。我们刚刚介绍了美国宇航局的最新观测数据,数据显示,科学家们长期以来一直认为宇宙各向同性理论可能会被推翻。所谓宇宙的各向同性意味着当观察范围扩大到一定程度时,我们在任何方向观察的宇宙都是相同的,这意味着宇宙没有中心。然而,美国宇航局对几十个星系后退速度的研究表明,这一理论可能是错误的,这意味着宇宙有一个中心。

不仅有一个中心,新的研究还表明宇宙中甚至存在“南北”差异。通过电磁学的理论和发现,科学家有望为宇宙指明一个明确的方向。

澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)的天体物理学家约翰·韦伯说:“(新的研究)似乎证实了这个猜想,也就是说,宇宙中可能真的有方向性,这真的很奇怪。从统计角度推断的宇宙各向同性可能会被推翻。”

那么,宇宙南北之间的所谓差异是什么意思呢?

韦伯进一步解释说,宇宙中可能有一个特定的方向(或两个方向,即同一点的两边),物理定律沿着这个方向变化。然而,在垂直于它的方向上,物理定律仍然是稳定的。"换句话说,宇宙在某种意义上有一个偶极结构."

如果你仍然感到有点困惑,最好通过我的类比来理解它:因为地球是一个椭球体,赤道半径比极地半径稍长。因此,重力加速度G随纬度变化。但是在相同的纬度上,G是不变的(这里不考虑地形)。根据新的发现,宇宙中的物理定律也会随着“宇宙的纬度”而改变,但它们在同一“宇宙的纬度”上是不变的。

那么,什么是韦伯偶极子?事实上,它非常简单,即一对相反的电荷或磁核,它们可以形成电场或磁场。

电磁力在我们的宇宙中扮演着极其重要的角色,我相信这不需要太多的解释。例如,宇宙中的每一个原子都被电磁力束缚,使得电子真实地围绕着原子核。没有电磁力,所有原子都会分解。同样,电磁波也是宇宙中的重要元素,光是其中之一。

正是通过对电磁力的观察,科学家们发现了宇宙中精细结构常数的微弱变化——看看精细结构常数的计算公式,你就会明白它与电磁学的关系有多密切。

利用智利的超大型望远镜阵列(VLT),研究小组已经四次观测到130亿光年以外的类星体——这是宇宙中最原始的现象。通过超大型望远镜强大的观测能力,他们研究了早期宇宙中的电磁力。

“当我们把所有的观察数据放在一起时,我们会发现,”韦伯说,“随着我们观察的距离越来越远,电磁力似乎越来越大;当我们朝相反的方向看时,它会逐渐减少。”然而,这个观察结果也表明精细结构常数随着宇宙空之间位置的变化而略有不同。

这给科学家们带来了一个深刻的思考:那些我们似乎“恰到好处”的科学巧合真的适用于整个宇宙吗?我们的宇宙遵循同一套定律吗?

如果他们的发现得到证实,这无疑将是对现代宇宙学的巨大冲击。

巧合的是,证据会出现。

美国有一群研究人员长期致力于x光的研究,但却意外地发现了相关证据。当他们观察宇宙时,他们还发现宇宙的不均匀性似乎隐藏了一些很久以来都不为人知的排列。巧合的是,他们发现的可能的安排与新南威尔士大学的研究小组完全相同。

尽管两个团队的研究结果相互印证,但我们仍然需要更多的证据来证明这一点。但是可以肯定的是,如果宇宙真的像他们说的那样有一个特定的排列方向,那么我们对宇宙的知识将会被重建。与此同时,我担心物理学的“建筑”也会遭遇一场强烈的“地震”。

“我们的标准宇宙模型是基于一个各向同性的宇宙,”韦伯说。“标准模型本身是基于爱因斯坦的引力理论,该理论明确假设了自然法则的不变性。如果这样一个理论只是一个普遍的结果,那么一些非常令人兴奋的物理学新门将会打开。”

事实上,精细结构常数是否是常数的问题听起来有点神秘,但是科学家们确实好奇了很长时间。直到今天,我们终于找到了一些证据。然而,这一证据不仅有望解决科学家们长期以来一直好奇的“小问题”,而且还会带来一个将会引发整个宇宙模型的“大问题”。

可以肯定的是,我们正在经历一个特殊的时代,在这个时代里,物理建筑不断打开新的大门,让我们看到一个全新的世界。包括所谓的第五基本力、第五物质状态等等,都可能浮出水面。这将是物理学取得突破的一个机会,也许人类通往宇宙的道路正在一点一点打开。

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