跳舞常数：物理定律会随着时间而改变吗？

更新时间：2024-09-18 15:45  浏览量：99

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你有没有想过为什么宇宙是这个样子？为什么恒星会发光而行星会在轨道上旋转？答案就在于物理定律——统治宇宙的不变规则。但如果这些规则不是一成不变的呢？这个问题几十年来一直困扰着世界各地的科学家。

基本物理常数是我们理解宇宙的基石。光速、普朗克常数、引力常数——这些量决定了物质和能量在宇宙中的行为方式。传统上，这些常量被认为是不可变的。然而，现代科学从未停止提出问题和检验甚至关于世界秩序的最成熟的想法。

寻找基本常数变化的最有力工具之一已成为对遥远类星体的观测。这些超发光物体距离地球数十亿光年，使科学家能够窥探宇宙遥远的过去。

通过分析类星体的光谱，天体物理学家寻找最细微的偏差，这些偏差可能表明精细结构常数等数量的变化。这项工作需要令人难以置信的精度并使用最先进的望远镜。

美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到的类星体 SDSS J165202.64+172852.3。我们看到的这个类星体大约是 115 亿年前的样子

精细结构常数是一个基本物理常数（1/137.036），它表征电磁相互作用的强度。它由希腊字母 α (alpha) 表示，在从量子力学到天体物理学的许多物理学领域中发挥着关键作用。

人们对精细结构常数可能发生的变化特别感兴趣，因为即使是微小的波动也可能显着影响原子的结构，从而影响宇宙的化学。如果这个常数明显大于或小于其当前值，那么恒星可能不会形成，并且我们从地球经验中知道的生命将是不可能的。

这就是为什么观测遥远类星体的光谱如此重要。它们使我们能够测试精细结构常数在宇宙数十亿年的历史中是否真的保持不变。

精细结构常数确保了微观层面的“世界秩序的稳定性”

关于精细结构常数变化的研究结果仍然模棱两可，并引起科学界的激烈争论：

韦伯团队的观测（1999-2001）：澳大利亚物理学家约翰·韦伯和他的同事根据对类星体的观测报告了精细结构常数可能发生的变化。他们认为，数十亿年前，α 的值可能会减少约 0.0006%。相互矛盾的证据：随后的研究提供了相互矛盾的结果。一些人证实了韦伯的发现，另一些人则没有发现任何变化。空间变化：2010年，韦伯团队提出α不仅可以在时间上变化，而且可以在空间上变化，在宇宙中形成一种“偶极子”结构。当前的限制：迄今为止，来自智利甚大望远镜 (VLT) 的最精确测量已将过去 100 亿年来 α 可能变化的上限设定为不超过 1.2 x 10^-6。这意味着在一百亿年的时间里，α 的变化不会超过 0.00012%。这并不重要，但常数的允许偏差这一事实令人印象深刻。实验室实验：地球上的高精度原子钟可以对 α 在一百亿年内可能发生的变化设定更严格的限制 - 不超过 0.00001%。

因此，尽管一些观察暗示精细结构常数可能发生微小变化，但大多数数据表明其在现代测量精度范围内的稳定性。这个问题仍然悬而未决，需要使用更精确的工具和方法进行进一步研究。

在地球上，科学家通过原子钟来寻找常数的变化。现代原子钟已经达到了令人难以置信的精确度。最先进的技术利用单个离子或中性原子的光学跃迁，其精度非常高，可以在宇宙年龄 100 倍的时间内精确到一秒以内。

原子钟又大又复杂

换句话说，如果这样的时钟从大爆炸（大约138亿年前）一直运行到今天，它的落后或前进的速度将不到0.1秒。

通过长时间比较不同类型原子钟的读数，物理学家希望发现可能表明基本常数变化的最细微差异。目前还没有发现什么。

该领域最大胆的假设之一是可变光速的概念，由葡萄牙物理学家和宇宙学家 Joao Mageijo 提出。根据这一假设，早期宇宙中的光速可能更高。这个想法可以解决现代宇宙学中的一些问题，例如粒子视界问题。不过，玛格珠的概念尚未得到实验证实。

*粒子视界是宇宙可观测区域和不可观测区域之间的边界。

暗能量之谜是宇宙加速膨胀的原因，也可能与基本常数的变化有关。一些科学家认为，我们所说的暗能量可能是物理定律缓慢变化的表现。这一假说正在积极研究中，但迄今为止尚未得到任何证实。

尽管目前尚未发现基本常数发生变化的令人信服的证据，但研究仍在继续。新一代仪器，例如美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜，可能会让我们更接近解开这个谜团。

探索改变物理定律的可能性不仅有助于检验我们的基础理论，而且为理解宇宙结构开辟了新的视野。无论我们发现物理定律的变化还是证实物理定律的不变性，这些研究的结果无疑将扩展我们对宇宙的认识。