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宇宙的怪異一面:自然規律可變?

不久前有科學家發現,在宇宙的不同方向上測得的哈勃常數——也就是宇宙膨脹的速度——不統一;而現在,又有科學家發現另外一個物理學基本常數——精細結構常數——在宇宙的不同方向上也呈現出了不一致。

天文學家通過遙遠的類星體ULAS J1120+0641(圖中心的紅點),發現了一個非常奇怪的現象——精細結構常數在宇宙的某個方向上表現異常。我們現在看到的,是這個類星體在宇宙誕生後僅7.7億年時的影像。ESO / UKIDSS / SDS

這是一個非常奇怪的現象。因為基本常數的差異可能表明在宇宙的不同時空中,物理學規律不一樣。

悉尼新南威爾士大學科學家Michael Wilczynska和John Webb等人在《科學進取》雜誌上刊文宣稱,他們在對來自一個距地球約130億光年的類星體發出的光進行了4次測量後發現,之前的一個存疑研究結果——宇宙不同方向上精細結構常數存在微小差異的現象可能確實存在。

精細結構常數是電子在第一玻爾軌道上的運動速度和真空中光速的比值,是一個沒有單位的數字,但它決定了電磁力有多強。

電子得以圍繞原子核飛行的有賴於電磁力,沒有電磁力宇宙中的一切物質都將土崩瓦解。科學家一直認為,無論在時空的何處,電磁力的強度都是恆定的。但是在過去20年間,John Webb教授發現在宇宙的特定方向上,電磁力和精細結構常數出現了異常。

研究人員起初對此持懷疑態度,因為這種差異可能是設備原因,或計算錯誤。異常出現在當研究人員使用大型望遠鏡對遙遠宇宙中的高能天體——類星體進行觀測的過程中。這些類星體距地球至少有120億至130億光年。因此它們發出的光實際上來自嬰兒期的宇宙。宇宙最早的時候和今天幾乎完全不同。那時沒有真正的星系。恆星雖已出現,但也和今天也不一樣。至於行星則還根本不存在。

研究人員在同一個方向上,對同一個類星體進行了4次觀測,對精細結構常數進行了4次測量。這4次測量本身並不足以讓人得出精細結構常數是否會發生變化的結論,但是當他們將結果和其他與此研究無關的科學家,針對類星體和地球之間大量對象所進行的測量結果綜合起來之後,精細結構常數的異常開始變得明顯起來。

如果說宇宙是存在方向性的,那這個結論確實會讓人感到奇怪。這意味著,從統計學的角度來看,物理學規律在宇宙的不同方向上並不完全相同。

而這種不同似乎還表現出了某種規律性,因為它只出現在某個特定的方向上,而在與之垂直的方向上並沒有這種趨勢。也就是說,從某種意義上來說,宇宙可能有兩極結構。

在一個方向上,研究人員通過分析來自120億年前的光,發現電磁力的強度呈逐漸增強趨勢;在相反方向上,電磁力的強度呈逐漸減弱趨勢。而在其他方向上,精細結構常數沒有發生變化。這就好像我們一直以為物質隨機分布的均勻宇宙,忽然間就有了南北之分。

Webb教授本人對此也依然持懷疑態度。但這可能並不只是一個巧合。另一個以K. Migkas為首的,與此研究無關的美國科研團隊,也通過X射線觀測發現,宇宙可能存在某種意義上的方向性。

假如這一發現被越來越多的證據所確認,那意義將是重大的。它或許可以告訴我們我們的宇宙為什麼會是這樣,甚至於告訴我們為什麼宇宙中會存在生命。

一直以來都有人在思考,為什麼這個宇宙中的自然規律會表現出一種適合生命繁衍的特徵。電磁力的強度就是其中之一。假如精細結構常數稍有不同,宇宙的化學演化方式就會完全不同,生命也將沒有任何機會出現。而這又讓我們思考這樣一個問題,所謂的「宜居」,即生命所依賴的「恰到好處」的基本物理學常量,比如精細結構常數,是否在整個宇宙中都一樣?

假如宇宙真的有方向性,假如在宇宙的某些區域,電磁力的強度不同,那麼現代物理學的某些基本概念可能就需要修改。

宇宙學的標準模型是基於各向同性的,也就是假定宇宙在各個方向上,就統計學意義而言都是相同的。它建立在愛因斯坦引力論的基礎上,並假設在時空的各處,自然規律都是不變的。但是如果最終人們發現,這一基本理念只是一個「近似值」,那麼其意義之重大可想而知。

參考:

Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago
https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaay9672

Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX–T scaling relation
http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/201936602

New findings suggest laws of nature ‘downright weird,’ not as constant as previously thought
https://phys.org/news/2020-04-laws-nature-downright-weird-constant.amp

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