天文观测最新的革命性突破:物理规律在宇宙各处是不同的

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 天文观测最新的革命性突破:物理规律在宇宙各处是不同的

物理学研究中一个惯用的方法是,当我们在地面或小范围空间区域内测得一个物理量的值时,如果它应该作为一个输入型参数出现在物理方程中,并且表示着自然界在某一方面的性质,那么通常假定这个参数是个常数,它在宇宙不同区域是相同的,进一步相对性原理还会保证此参数在任意参考系上都具有相同的值。

天文观测最新的革命性突破:物理规律在宇宙各处是不同的-第1张图片-IT新视野

例如,在牛頓力學中,萬有引力常數G被假定為是整個宇宙空間內的一個不變量,因此牛頓的引力定律將下落的蘋果與環繞太陽以橢圓軌道運行的行星所受到的引力納入到了一個方程之中。廣義相對論則是以光速不變性原理作為基本的邏輯支撐,量子力學描述的微觀世界中,能量的離散程度則以恆定的普朗克常數為標誌。

物理定律中的常數,作為物理理論的基本假定,一般來說是無法證明的,但原則上卻可以被實驗觀測所證偽。一旦通過天文觀測,證實宇宙中其它地方的一個“常數”與地球上的有所不同,那這一“常數”就失去了常數的意義,只能作為一種參數場而存在於宇宙中,為不同的宇宙區域帶來不同的物理規律。

5月初,這樣的事件真的發生了,澳大利亞南威爾遜大學的研究團隊通過對138億光年外的類星體J1120+0641的紅移光環進行直接觀測,發現該類星體中的精細結構常數α與地球上的數值相比是有明顯差別的,也就是說我們原先假定的精緻結構常數α竟然是一個隨著空間位置而發生變化的量,或者說是一種變化的場量!

由於精細結構常數α在粒子物理的標準模型中處於舉足輕重的地位,再加上論文顯示該觀測結論的可信度達到了9個西格瑪,物理學界最近一周一直處於該論文所帶來的震撼衝擊之下,不出意外,等過了評審消化期,這篇論文的研究團隊會以最快的速度捧得一個諾貝爾物理學獎,這將是最近三分之一個世紀中,最具革命性的物理髮現。

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那麼什麼是精細結構常數?精細結構常數α是一個變量,會帶來哪些物理學上的革命?

精細結構常數α是聯繫量子力學和電磁學的基本常數(無量綱數),表達式為α=e^2/2εhc^2,它在標準模型中的數值約為1/137,也就是電磁力與強力的強度比值。其中e為元電荷1.6×10^-19庫倫,ε為真空中的介電常數8.85×10^-12法拉/米,h為普朗克常數6.626×10^-34焦.秒,c為真空中的光速2.99×10^8米/秒。

我們可以看出,由於精細結構常數α是完全由元電荷、真空介電常數、普朗克常數、光速這4個常數組成的,那麼澳大利亞該團隊的研究工作證實了精細結構常數這種複合常數是一個隨空間而發生變化的量,就意味著元電荷、真空介電常數、普朗克常數、光速這四個常數中至少有一個也是隨空間而發生變化的量。

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接下來就可怕了!由於廣義相對論限制了光速是一個常量,並且宇宙空間中確實需要一個速度上限,那麼元電荷、真空介電常數、普朗克常數中至少會有一個量是個變量。

假定普朗克數h就是這個變量,由於普朗克數h是表徵宇宙量子力學性質的量,設想在某個類星體上普朗克數h增加10倍,那麼該類星體上的量子力學性質將增強10倍,量子離散化的程度會增強10倍,用能量的觀點來看就是,由於能量等於普朗克數乘以頻率,該類星體的總質量將會增強10倍。

假定元電荷e就是這個變量,設想在某個類星體上元電荷減小至接近於0,那麼該類星體上的電子、質子、夸克等帶電粒子將近乎完全失去電荷屬性!

假定真空介電數ε就是這個變量,設想在某個類星體上真空介電常數發散至無窮大,那麼該類星體上的空間中就相當於放進了一塊無質無形的三維理想導體!

可以預計,一個處處物理規律不一樣的宇宙將會具有多麼不可思議的局部差異性,這種物理規律的區域差異性甚至會導致宇宙中高等智慧生物的分佈!我們現實的宇宙就是這麼奇妙,總存在讓我們熱血沸騰的新發現在刺激著我們理性的神經,讓我們拭目以待這篇革命性論文為物理學注入的新動力吧!

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