逍遥学能 2017-07-10 19:37
图注：这是类星体PKS 1127-145的X光图像，它距离地球约100亿光年
宇宙学中有许多具有争议性的话题，其中一个便是：为什么一些最基本的宇宙常数似乎偏好生命现象，从而创设了那些恰好适合生命成长的环境出来？微细结构常数(常用α表示)便是这样的一个例子。这是一种电磁耦合力常数，其数值大约等于1/137.0359。如果α的值增大或减小4%，宇宙中的恒星将能够产生碳和氧，这样的结果便是宇宙中将不可能出现今天我们看到的生命景象。但是一项最新研究却显示了其中更加复杂的机理。科学家们发现，α的值在不同的宇宙方向上，在数十亿年前，存在轻微差异。具体来说，其值在北半球天空稍小，而在南半球天空稍大。对此的一种可能解释是：微细结构常数可能在空间中存在连续的变化，而其变化都对生命的存在意义重大。
来自澳大利亚新南威尔士大学的物理学家约翰?韦伯(JohnWebb)和他的合作者调阅了两架望远镜的观测数据，以便研究微细结构常数(α)与空间变化之间的关系。他们使用的望远镜包括位于北半球夏威夷莫纳克亚山顶的凯克望远镜(口径10米)，以及位于南半球智利的欧洲南方天文台甚大望远镜(口径8米)。研究人员利用这些世界上最强大的望远镜对超过100个类星体目标进行了观测。类星体是一种距离极为遥远但是亮度极大的天体，其强大的能量来自于其内部的黑洞。
通过对类星体的光谱测量，研究人员可以获得其电磁辐射在高红移情况下的频率数据，通过这些数据我们可以得出其距离数值，比如距离地球大约100亿光年。这些古老的光线在穿越茫茫太空时，会经过一些古老的宇宙尘埃云，其中一些波长的光线就被吸收，通过对光谱吸收线的分析，科学家可以分析出这些尘埃云的化学成分。
对这些尘埃云化学组成的分析将使研究人员得以进一步推算当时微细结构常数α的值，因为α本身便是对两个带电微粒之间电磁力作用大小的描述。作为一种电磁力的耦合常数，α的值也和自然界的另三大基本力常数相似：强核力、弱核力以及引力。微细结构常数的物理学意义，其中最重要的一点，便是决定了原子核对其外侧电子的束缚力大小。
通过对南天、北天两架望远镜观测数据的对比，研究人员发现了一个奇怪的现象，那就是：南天获取数据推算出的α值要比目前所知的值大大约10万分之一，而北天获取的数据推算出的α值则要比目前的值小大约10万分之一。这些“偶极”模型数据的统计学误差计算显示其“事发偶然”的可能性仅有大约1/15000
这一结果让韦伯和他的同事们非常震惊，因为这和1999年发布的精密测量数据结果是冲突的。当时的研究人员使用的是位于北半球的凯克望远镜，那时候他们就已经注意到这样一个奇怪的现象，那就是：所观测的类星体距离越远(意味着年代越久远)，α的值就越小。因此当科学家们利用智利的大型望远镜在南半球进行观测时，他们也认为会出现一样的结果。但是数据却显示α的值出现了相反的增长趋势，这让他们措手不及，困惑不已。当他们终于排除了一切外来干扰和误差的可能性之后，他们意识到他们看到的是α值在南天和北天的数值差异现象。
因此，如果说科学家们仅仅使用了一个半球的望远镜进行观测，那么他们会注意到α的值具有时间上的变化，而当他们使用另一个半球的望远镜进行对比观测时，他们会发现α的值还具有空间上的变化。这一发现具有重大意义，首先一点，它颠覆了一种我们深信不疑的观点，那就是物理定律“放之宇宙皆准”。这一发现同时也与“爱因斯坦等效原理”不符，其结果暗示我们所处的宇宙可能要比我们原先设想的大得多，甚至可能是无限的。目前，科学家们将组织更精细的实验来验证这一发现，并且看看微细结构常数研究的进展是否能引导我们到达对宇宙更高层次的理解。