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物理學家發現自然常數在變化,宇宙或不具有“各向同性”

http://finance.sina.com   2020年05月13日 18:48   北京新浪網

  來源:DeepTech深科技

  在物理學中,精細結構常數(fine structure constant)是用於度量自然界中電磁力大小的一個常量,電磁力與引力、強核力和弱核力並稱四大基本力。

  然而,根據一項最近發表在《科學進展》上的研究,澳大利亞南威爾士大學的研究人員已成功對一個距地球約 130 億光年的類星體進行了四次觀測,認爲精細結構常數的數值已較此前發生了變化。

圖|遙遠類星體想象圖  (來源:Shutterstock)圖|遙遠類星體想象圖  (來源:Shutterstock)

  

  精細結構常數沒有單位,本質涉及光速、普朗克常數和一個電子所攜帶的電荷量,一般會被用來描述電磁力的強弱。但領導這項研究的南威爾士大學物理學教授約翰·韋伯(John Webb)團隊,通過 20 年的觀測和研究卻表明,該常數在宇宙中的某些區域內的取值或許並不相等,而這種“不等”卻不僅體現在時間上,還體現在了空間中的某一特定方向上,這就很奇怪了。

  韋伯表示,儘管學界內部一直都對此事持懷疑態度,而他本人也曾在首次發現這一現象時懷疑這種“變化”是由實驗設備故障造成,但此次他和團隊在用地表最強的望遠鏡陣列觀測距地球非常遙遠的類星體時,卻也發現了這一情況。

  一般來說,由於類星體距地球很遠,最遠的甚至有 130 億光年,天文學家們一般能通過觀測它們來了解誕生初期時的宇宙,而此次的研究則是着重觀測了一顆能追溯至宇宙誕生後十億年的類星體,並沿從觀測點到該類星體的連線對精細結構常數進行了四次測量。

  起初,四次測量的結果本身並沒能爲“該常數是否有發生數值變化”提供證據,但在研究人員後續將結果與其它許多與此次課題無關的類星體觀測結果作對比時,發現精細結構常數的數值變化尤其明顯。

  天文學和物理學界曾一直認爲宇宙是各向同性,也就是從統計學角度上來看,宇宙在各個方向上應該都“長得一樣”。但此次的研究結果則表明,宇宙中或許存在着某些有着“方向偏好”的常量,也就是宇宙或許在某種意義上具有“偶極結構”。

  在研究中,韋伯團隊曾按某一特定方向對該類星體進行觀測,並能回溯至距今 120 億年前的宇宙,但精細結構常數彷彿會隨他們觀測距離的深入(距地球更遠的位置在更早期的宇宙中時的狀態)而變大,隨着離地球越近(除了位置更近,在時間上也距現在更近)而減小。

  除了南威爾士大學此次的研究,另一項由一個美國團隊獨立進行的 X 射線觀測研究也得出了相似的結果,該研究對星系的一些性質進行了測量,如 X 射線相關性質和星系團距地球的宇宙學距離等,發現宇宙中或確實存在着一個“方向偏好”(與此次南威爾士大學的研究所發現的“問題方向”一致),而不是人們之前所認爲的“各向同性”。

  韋伯表示,如果後續研究繼續表明精細結構常數的取值確實在宇宙中具有“方向性”,現代物理學的基礎便有可能會因此被改寫。

  他說:“目前,標準模型很大程度上是基於宇宙的‘各向同性’而構建的,而標準模型本身又是源於愛因斯坦的廣義相對論,所以如果這些理論確實只是對宇宙中實際情況的一種近似的話,那物理學可能又將會迎來更多的新學說。”

  韋伯認爲,在物理學之外,宇宙如果不是各向同性或也將對產生生命的條件產生影響,甚至能爲我們回答與“爲何有些常量就是這個數值(進而生命爲何得以存在,宇宙爲何會是今天的樣子)”類似的問題提供思路。

  他表示,此次南威爾士大學的研究或將是爲開啓一項長期研究所邁出的第一步,如果當下正突飛猛進的人工智能技術也能在數據分析中被結合起來,研究人員或許能以比現在更快的速度和更高的精度對宇宙中的天體進行觀測,對該課題進行更進一步的研究。

  -End-

  參考:

  https://phys.org/news/2020-04-laws-nature-downright-weird-constant.html

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