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物理学家发现自然常数在变化,宇宙或不具有“各向同性”

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

  来源:DeepTech深科技

  在物理学中,精细结构常数(fine structure constant)是用于度量自然界中电磁力大小的一个常量,电磁力与引力、强核力和弱核力并称四大基本力。

  然而,根据一项最近发表在《科学进展》上的研究,澳大利亚南威尔士大学的研究人员已成功对一个距地球约 130 亿光年的类星体进行了四次观测,认为精细结构常数的数值已较此前发生了变化。

图|遥远类星体想象图  (来源:Shutterstock)图|遥远类星体想象图  (来源:Shutterstock)

  

  精细结构常数没有单位,本质涉及光速、普朗克常数和一个电子所携带的电荷量,一般会被用来描述电磁力的强弱。但领导这项研究的南威尔士大学物理学教授约翰·韦伯(John Webb)团队,通过 20 年的观测和研究却表明,该常数在宇宙中的某些区域内的取值或许并不相等,而这种“不等”却不仅体现在时间上,还体现在了空间中的某一特定方向上,这就很奇怪了。

  韦伯表示,尽管学界内部一直都对此事持怀疑态度,而他本人也曾在首次发现这一现象时怀疑这种“变化”是由实验设备故障造成,但此次他和团队在用地表最强的望远镜阵列观测距地球非常遥远的类星体时,却也发现了这一情况。

  一般来说,由于类星体距地球很远,最远的甚至有 130 亿光年,天文学家们一般能通过观测它们来了解诞生初期时的宇宙,而此次的研究则是着重观测了一颗能追溯至宇宙诞生后十亿年的类星体,并沿从观测点到该类星体的连线对精细结构常数进行了四次测量。

  起初,四次测量的结果本身并没能为“该常数是否有发生数值变化”提供证据,但在研究人员后续将结果与其它许多与此次课题无关的类星体观测结果作对比时,发现精细结构常数的数值变化尤其明显。

  天文学和物理学界曾一直认为宇宙是各向同性,也就是从统计学角度上来看,宇宙在各个方向上应该都“长得一样”。但此次的研究结果则表明,宇宙中或许存在着某些有着“方向偏好”的常量,也就是宇宙或许在某种意义上具有“偶极结构”。

  在研究中,韦伯团队曾按某一特定方向对该类星体进行观测,并能回溯至距今 120 亿年前的宇宙,但精细结构常数仿佛会随他们观测距离的深入(距地球更远的位置在更早期的宇宙中时的状态)而变大,随着离地球越近(除了位置更近,在时间上也距现在更近)而减小。

  除了南威尔士大学此次的研究,另一项由一个美国团队独立进行的 X 射线观测研究也得出了相似的结果,该研究对星系的一些性质进行了测量,如 X 射线相关性质和星系团距地球的宇宙学距离等,发现宇宙中或确实存在着一个“方向偏好”(与此次南威尔士大学的研究所发现的“问题方向”一致),而不是人们之前所认为的“各向同性”。

  韦伯表示,如果后续研究继续表明精细结构常数的取值确实在宇宙中具有“方向性”,现代物理学的基础便有可能会因此被改写。

  他说:“目前,标准模型很大程度上是基于宇宙的‘各向同性’而构建的,而标准模型本身又是源于爱因斯坦的广义相对论,所以如果这些理论确实只是对宇宙中实际情况的一种近似的话,那物理学可能又将会迎来更多的新学说。”

  韦伯认为,在物理学之外,宇宙如果不是各向同性或也将对产生生命的条件产生影响,甚至能为我们回答与“为何有些常量就是这个数值(进而生命为何得以存在,宇宙为何会是今天的样子)”类似的问题提供思路。

  他表示,此次南威尔士大学的研究或将是为开启一项长期研究所迈出的第一步,如果当下正突飞猛进的人工智能技术也能在数据分析中被结合起来,研究人员或许能以比现在更快的速度和更高的精度对宇宙中的天体进行观测,对该课题进行更进一步的研究。

  -End-

  参考:

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

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