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这个数字关乎宇宙结构:微小改变或印证更高维度

时间: 2018年10月18日 | 作者: 迈克尔·布鲁克斯 | 来源: 平台网址注册鹿鼎(huanqiukexue.com)
一个神秘的数字——精细结构常数(0.00729735)决定了物理、化学以及生物学的运作机制。但一系列尚存争议的实验却暗示,它可能不是一个永恒不变的数字,而是随着它在宇宙中的位置

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在《银河系漫游指南》中,英国作家道格拉斯·亚当斯(Douglas Adams)虚构了一个生命、宇宙与世间万物的终极答案——42。虽然人们不断尝试赋予它特殊的含义,但从本质上说,这只是一个存在于科幻中的“答案”。不过,在现实世界中,却有一个数字蕴含了许多秘密,乃至万物的终极答案。它就是:1/137。

这个恒定的数值决定了恒星如何燃烧、化学反应如何进行,甚至原子能否存在。物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)称这个“无法理解的神奇数字”是“物理学最大的谜团之一”。

现在,这个数字正变得愈发神秘。尚存争议的证据表明,这个数字可能不是我们先前设想的普适常数,而是会随时间和空间发生微妙变化。若这个说法得到确认,将深刻影响我们对物理学的理解,迫使我们重新思考构建有关现实结构的基本假设。目前对这一发现真正意义的争论仍十分激烈,实验室中正在开展深入研究宇宙和实际细粒结构的实验,这或许能为这些争论作出明确的裁决。

并非常数?

认为自然常数(如光速、基本相互作用力、基本粒子质量等)不恒定的观点有着悠久的历史。1937年,物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)写信给《自然》(Nature)杂志,质疑天文学家阿瑟·埃丁顿(Arthur Eddington)试图从头开始计算这些自然常数的尝试。我们怎么确定这些常数没有随时间改变过呢?

精细结构常数(α)就是一个很好的例子。对精细结构常数的研究首先由狄拉克发起,之后在费曼的量子电动力学(QED)理论中得到发展。量子电动力学是电磁力的量子理论,描述了光与物质之间的相互作用。精细结构常数决定了光与物质相互作用力的强弱,它由光速、电子电荷、圆周率π(绝大多数物理理论都包含圆周率)及其他几个基本常数构成。这些物理量被精心排布,将精细结构常数定义成一个不含单位的纯数字。α的值是0.00729735,非常接近1/137。

即使是略微改变这个数字,也会彻底改变整个宇宙。如果α的值太大,则质子间的排斥力增加,小质量原子核将不能结合在一起,进而恒星内的核聚变将停止,无法产生生命所依赖的碳元素;如果α的值太小,则分子键将在较低温度下断裂,这将改变许多重要的生命演化进程。

至少在地球上,精细结构常数α处在一个严格的界限内。实验室试验表明,在我们所处的地方,α最多只能发生不到十亿分之一的变化。这意味着α比引力常数G要精确十万倍。

但正如狄拉克所提议的那样,电磁相互作用力在过去可能更强或更弱,或者在宇宙深处有所不同。如果成立,这将对于揭开现实更深层的真相具有重要意义。法国艾克斯-马赛代理开户的卡洛·罗韦利(Carlo Rovelli)说:“我们有一套基本方程式。它已有半个世纪的历史,并且从未和任何测量结果发生冲突。如果我们发现一个与其预测不符的测量结果,那将是个大事件,意味着我们终于等来了新东西。”意大利的里雅斯特天文台的保罗·莫拉罗(Paolo Molaro)对此表示赞同。他说:“如果这些常数变化真实存在,这将揭示新的物理学。”

例如,变化的精细结构常数可能预示着额外的维度。弦理论是下一代物理理论的有力候选者。弦理论提出,存在我们看不到的微小卷曲维度,它影响着像精细结构常数这样的自然常数。剑桥代理开户的宇宙学家约翰·巴罗(John Barrow)说:“如果存在额外的维度,那么这些‘自然常数’的地位就会降低。如果真有九个或十个维度的空间,其中只有三个是宏观可见的,那么那些真正恒定的自然常数便存在于总维度中。而我们观察到的仅是它们在三维空间的投影,这也就不再是真正的常数了。”

20多年前,澳大利亚物理学家约翰·韦伯(John Webb)开始痴迷于研究精细结构常数的可变理论。1996年,还是年轻研究员的韦伯拜访了当时在英国苏塞克斯代理开户的巴罗。两人讨论了狄拉克关于自然常数不恒定的想法。韦伯想知道利用世界上最强大望远镜所采集的光,能否解决这个问题。

宇宙光线中寻找α变化

望远镜接收的一部分光已经旅行了很长时间。夏威夷最高点莫纳克亚(Mauna Kea)山顶上的凯克(Keck)望远镜可以采集到大约120亿年前,由超亮星系核或类星体发出的光。在前往地球的旅途中,一些光线已经穿过吸收特定波长的气体云。这给了测量精细结构常数一个关键的立足点。“如果你改变了精细结构常数,你就会改变电子和原子核之间的吸引力,”韦伯说,“从而改变给定原子吸收光的波长。这意味着吸收光谱会形成一种类似于条形码的独特谱线。”

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位于夏威夷的凯克望远镜

韦伯与新南威尔士代理开户的同事合作,开发了一种能分析上述吸收光谱的新方法,并将其应用于凯克望远镜捕获的类星体数据。1998年,包括韦伯、巴罗在内的合作团队取得了首个成果:在120~60亿年前,精细结构常数平均增加了百万分之六。这不足以对物理学产生重大影响,但α确实改变过。

这是个轰动性的结论,但很少有人相信它。巴罗说:“从技术层面上,寻找精细结构常数改变的证据非常困难。我们只有23个光谱数据,并且它们全都来自凯克望远镜。测量设备导致的系统误差可能使数据发生偏倚。”

对精细结构常数的探索将是一场漫长的猫捉老鼠游戏,而上述结果只是一个开端。每当韦伯和不断更替的合作者发布一份全新的分析报告,展示使用新数据计算出的α变化值,其他一些团队都会反驳他们的结果。而韦伯团队每次在他人反驳时都捍卫了自己的观点,与此同时,他们也在努力找到系统误差来源。他们还获得了智利另一台望远镜——甚大望远镜(VLT)的数据。

他们对精细结构常数的最新表述是,它的大小与所在地点与地球的距离大致呈线性变化。韦伯说:“只有走过大爆炸后光线所穿行的距离,才能感受到物理学开始出现显著的不同。”然而,自大爆炸以来,宇宙一直在膨胀,因此宇宙延伸得更远。线性演进表明,在那些看不见的区域,精细结构常数足以使宇宙看起来与众不同。“α可能非常不同,以至于我们所知的生命形式不可能在那里存在。”韦伯说。但他承认,这仍然高度存疑。数据的误差幅度很大,并且随着测量精密度的提升,变化可能会消失。


智利甚大望远镜的慧眼或许已经观测到了变化的自然常数

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图片来源:ESO/Y. Beletsky

α值争议延续

澳大利亚斯威本代理开户的迈克尔·墨菲(Michael Murphy)认为变化量会必然会消失。作为韦伯的学生,墨菲已从事测量α工作多年。除韦伯外,没有人更了解其中涉及的硬件、数据和分析技术。2014年,墨菲声称他终于发现了一个错误,从而撤销了对α为非恒定量的声明。

墨菲和斯威本代理开户的同事乔纳森·惠特莫尔(Jonathan Whitmore)意识到,用于校准分析仪器的灯的光线并没有经历与宇宙光线相同的扭曲。当他们用来自附近天体(如太阳、类日恒星或反光小行星)的光重新校准仪器时,测量结果发生改变。墨菲说:“我们发现它会使光谱变得复杂,使一些谱线靠近或远离其他谱线,这足以产生α在变化的错觉。”

2017年,韦伯与加州代理开户伯克利分校的文森特·杜蒙特(Vincent Dumont)合作,驳斥了墨菲等人的观点。两人声称,数据分析存在缺陷,并且仅适用于从甚大望远镜得到的结果的子集,而不是凯克望远镜的原始结果。墨菲承认了这一点,但表示他对这些结果的信任被削弱了。

然而,墨菲并没有离开这项研究。他说:“我们仍然不了解这些基本常数。我的动机没有改变。我们应该尽力而为,尽我们所能测量这些常数。在未来,我们需要用不同的方法,做出更准确的研究。”

这已然发生。新实验旨在用更高精度的实验测量α值。与此同时,今年11月,甚大望远镜的一台新仪器(ESPRESSO)将被启用。根据墨菲的设想,它将是一台测量类星体光谱的理想设备。

ESPRESSO的首席研究员弗朗西斯科·佩佩(Francesco Pepe)表示,他们必须对其进行校准,以便能够能够掌握它。“据我们预测,到2019年底,我们将能够确认或是否定,精细结构常数究竟是否存在数十万分之一的变化。”他说。ESPRESSO应该能够在过去的100亿年中寻找自然常数的变化量,甚至有望探索整个可观测宇宙。“我非常看好它取得重大进展的前景。”巴罗说。

与此同时,韦伯也在用新手段完善他的研究。从类星体光谱中得出α值涉及选取光谱区域的主观决策。有时我们不禁会忽略看似不那么重要的光谱区域,因为这部分区域吸收线过少。但这样的简化可能会使结果产生偏差。为了避免这种情况,韦伯和学生马修·班布里奇(Matthew Bainbridge)创建了一种机器学习算法,可以客观、全面地统计原始数据。“我们已经改变了所有手动决策,将问题抛给一组超级计算机进行处理。”韦伯说。

计算机处理1000次测量后,他将只查看最终的结果。这好比是一个“密封的信封”,消除了淡化不符合假设的单次测量的趋利性干扰。韦伯表示,目前还需约500次测量结果,这项工作应该会与ESPRESSO分析数据几乎同时完成。

在那之后,无论结果如何,韦伯都会离开这项研究。他说:“时间还在继续,生活中还有其他你想做的事。我将在2020年底前完成这项工作,看看结果如何,并让其他人接管。”即便如此,他认为自然常数是否恒定的问题仍不会得到解决。他说:“这个问题始于1937年的狄拉克,它不会在2020年突然结束,反而可能成为其他人的担忧。”

原文链接:

https://www.newscientist.com/article/mg24031982-200-theres-a-glitch-at-the-edge-of-the-universe-that-could-remake-physics/