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宇宙可能真的存在方向性?

来源:环球科学 作者: 发布时间:2020-05-07 15:46:34 浏览次数: 【字体:

科学家发现在宇宙的某些区域,精细结构常数存在差异,它不仅是时间上的函数,而且也是方向上的函数。

精细结构常数(α)是自然界的一个具有深刻内涵的常数,它是一个无量纲常数,与光速、普朗克常数以及电子电荷有关,约等于1/137。精细结构常数是对自然界中的基本力之一——电磁力(另外三种为引力、弱核力和强核力)的一种度量,在电磁力的作用下,电子绕着原子中的原子核旋转,如果没有电磁力,所有的物质都会分崩离析。

精细结构常数α约等于1/137,它是自然界中三个基本常数的组合。

电磁力被认为无论在时间还是空间上都不会发生变化的力,但在过去的20年里,天体物理学家John Webb教授注意到精细结构常数的数值似乎存在异常,他发现在宇宙某个特定方向上所测得的电磁力似乎略有不同。

正如前面所说的,精细结构常数表征了电磁相互作用的强度,假如这个值再大一点,那么电磁力就会更强,原子会更小;但反过来假如这个值再小一点,那么原子就会变得更大。

就在一篇最新发表于《科学进展》杂志上的论文中,Webb领导的研究团队报告了4个最新的精细结构常数的测量值。新的结果是基于从130亿光年之外的类星体发出的光而测得的,他们发现在宇宙的某些区域,精细结构常数存在差异,它不仅是时间上的函数,而且也是方向上的函数。这样的测量结果似乎印证了精细结构常数确实存在微小变化。

面对这样的结果,Webb本人也觉得难以相信。当他第一次发现这种迹象时,他的第一反应是质疑设备是否出现了故障,或者他是否在计算上或别的什么方面犯了错误,才导致了这些不寻常的数值。当他们使用甚大望远镜(VLT)对位处最遥远处的类星体进行观测时,首次测得了这种异常数值。

类星体是一类可以释放出极高能量的天体,已知的最遥远的类星体距离我们大约120到130亿光年。因此,研究来自这些遥远类星体的光,实则是在研究宇宙才刚刚诞生10亿年左右时的性质。

在新的研究中,他们就对一颗能让我们追溯到宇宙只有10亿岁左右时的类星体进行了观测。沿着这颗类星体的一个方向,他们对精细结构常数进行了4次测量。这4个测量并没能对电磁力是否存在可察觉的变化提供任何结论性的答案。然而,当他们将新的结果与其他许多科学家对遥远类星体进行的一些不想管的测量结合在一起时,发现了精细结构常数存在的明显差异。

研究人员因此得出一个难以置信的结论:宇宙可能真的存在某种方向性。

这意味着,宇宙可能不是各向同性(从统计学上看,在各个方向上都一样)的,而是在某些方向上,物理定律会发生改变。换句话说,宇宙在某种意义上具有偶极结构。

新的观测数据表明,在宇宙的一个特定的方向上,电磁力似乎会逐渐增加,在相反方向上逐渐减弱;而在宇宙的其他方向上,精细结构常数保持不变。换句话说,我们原本以为的星系、类星体、黑洞、恒星、气体云和行星有随机分布散落的宇宙,忽然间好像有了“南北极”。

这着实是一个令人瞠目结舌的结论,它所带来的结果可以是颠覆性的。在一则采访中,Webb表示在一定程度上他对此仍持怀疑态度,他想知道这种不同是否只是一个巧合,比如是由于在地球的不同地点、不同的时间、使用了不同技术进行测量才导致的。

但是,这真的是一个巧合吗?

有趣的是,在另一项研究中,波恩大学和哈佛大学的一组研究人员在对Webb的工作不知情的情况下,也独立得出了宇宙具有某些方向性的结论。只不过他们测量的不是物理定律,而是星系和星系团的X射线特性以及宇宙学距离。他们的研究也同样表明宇宙的性质并非各向同性,而且有一个首选方向,而这个方向与Webb他们测得的方向一致。

对此,Webb表示他很期待看到更多的观测能表明电磁性在宇宙的某些区域具有方向性,如果这一点能在未来的研究中继续得到证实,那么这或许能有助于解答为什么宇宙是现在的样子,以及生命为什么会存在等大问题。

很长一段时间以来,人们一直认为自然法则似乎为生命的繁荣创造了完美条件,电磁力的强度就是其中的条件之一。如果它在宇宙某处的数值与我们在地球上测得的不同,哪怕这种不同非常微小,都能导致宇宙发生完全不同的化学演化,从而使生命可能无法开始。

我们的宇宙学标准模型是建立在宇宙各向同性的基础之上的,因此如果宇宙中存在方向性,那么支撑着整个现代物理学的许多最基本的概念都将需要被修正。

这个标准模型本身建立在爱因斯坦的引力理论基础之上,而广义相对论本身也明确地假定了自然法则在时空中的不变性。但是,如果这些基本原理如最新结果所暗示的那样,只是一种近似的话,那么我们或许即将迎来物理学中的一些激动人心的新思想。


参考来源:https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/new-findings-suggest-laws-nature-not-constant-previously-thought

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