我们的宇宙或许存在绝对方向

涨知识 老郝 143浏览 0评论

精细结构常数,是物理学中一个重要的无量纲数,常用希腊字母α表示。精细结构常数表示电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空中光速的比值,计算公式为 α=e2/(4πε0cħ)(其中e是电子的电荷,ε0 是真空介电常数, ħ是约化普朗克常数,c 是真空中的光速)。数值约等于1/137。它也是制约电磁力强度的常数。

因为一些迹象,有不少物理学家猜测,精细结构常数的数值或许会随着时间变化。一个常数,竟然会随着时间变化,想想就知道有多刺激物理学家的神经。更加严重的是,用时空的几何性质来描述引力现象的广义相对论不允许精细结构常数随时间改变!而描述时空的相对论与刻画微观粒子的基本模型是当代物理学的两大基石,所以对精细结构常数的测量,牵扯到非常基础的层面,是物理学家甚而重之的大问题。

但是我们活着当下,要如何知道历史上精细结构常数的数值呢?幸运,或者说不幸的是,光速是宇宙中的速度极限,我们只要观测足够遥远的天体,就能接收到过去传来的信息。比如说,一个10亿光年的星系,我们现在接收到它发出射线,其实来自10亿年之前。

早在几年前,悉尼新南威尔士大学的团队发现,观测证据倾向于精细结构常数随时间改变的结果。但是反对意见认为,他们的测量精度不够——毕竟那是数亿光年的尺度。

随后,同一团队锲而不舍地追踪着这一问题。在2011年,得到了相同的结论。

到2020年,根据4月发表在《科学进展》上的论文,他们得到了更加明确的结果。

科学家测量了约130亿光年远的类星体,发现130亿年前的精细结构常数与现在存在万分之一的差异。

本来这一发现已经足够震撼,但他们似乎同时发现了点别的:我们的宇宙具有绝对方向!精细结构常数,沿着特定方向发生了衰减,而在其它的方向上则保持一致。

不仅仅是修正广义相对论的问题了,这一有待进一步确认的现象——令物理学家既惊恐又万分兴奋——直接冲击了现有的物理学基本概念:各向同性。近乎天经地义的,宇宙中的自然法则,从各个方向上看,应该是都一样的。

因为太过惊世骇俗,悉尼的团队一度怀疑是他们犯了某种错误。直到后来他们得知,另外一家独立的实验室也得到了类似的结论,才将其发表……如果他们对了,那共同改写现代物理学,开启一个新的时代;如果错了,他们也不是唯一的傻瓜。

如果得到确认,这一发现将是宇宙学自宇宙大爆炸理论以来,最富颠覆性的认知。从整个物理学层面,与当初的相对论和量子力学相比也毫不逊色——他们都重新塑造了人类对宇宙的基本认知。

新南威尔士大学(UNSW)的天体物理学家约翰·韦伯(John Webb)说:“ [这项新研究]似乎支持宇宙中可能存在方向性,这确实很奇怪。因此,宇宙的物理定律可能不是各向同性的。实际上,宇宙定律可能会在某个方向发生变化,而在与之垂直的方向上则不会。换句话说,从某种意义上说,宇宙具有偶极结构。将所有数据放在一起,电磁力似乎随着我们的观察而逐渐增加,而朝相反的方向,则逐渐减少。”

在美国,独立的研究人员一直在分析宇宙射线的方向性,他们一直在研究X射线的性质。他们也发现了一个绝对方向,与UNSW小组发现的相同。

因为电磁力和化学紧密相关,当制约电磁力强度的内在物理规律发生了变化,很多化学反应要么不会发生,要么就会与我们现在认知的截然不同。如果我们地球所在区域的精细结构常数与现在不同,还能诞生出生命吗?宇宙中存在绝对方向,是否能够验证所谓的人择原理——宇宙是为了让智慧生物存在而存在?

至于更学术上的意义,在结论得到更广泛的检验前,言之还尚早。但新发现绝对值得关注。首先,至少大统一理论需要先消停一会了。因为还没有那种理论能够容纳一个具有绝对方向的宇宙。

我们越深入,发现得越多,似乎宇宙就会变得更加复杂和陌生。

韦伯说:“我们的宇宙学标准模型是基于各向同性的宇宙,在统计上,各个方向都是相同的。该标准模型本身是建立在爱因斯坦的引力理论基础上的,引力理论本身明确地假定了自然定律的恒定性。如果这些基本原理仅是一个很好的近似,那么我们就找到了一扇通往非常令人兴奋的新物理学的大门。”

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