研究顯示:物理定律可能並非為全宇宙通用

2010/9/7   (7341)   原稿來源: http://big5.ce.cn/gate/big5/sc

據國外媒體報道，澳大利亞新南威爾士大學的物理學家研究顯示，一個名為微細結構常數的物理學常數在不同的宇宙方向上存在細微的差異，它或許將顛覆一種我們深信不疑的觀點，那就是物理定律“放之宇宙皆準”。有關研究論文刊登在美國《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

宇宙學中有許多具有爭議性的話題，其中一個便是：為什麼一些最基本的宇宙常數似乎偏好生命現象，從而創設了那些恰好適合生命成長的環境出來？微細結構常數(常用α表示)便是這樣的一個例子。這是一種電磁耦合力常數，其數值大約等於1/137.0359。如果α的值增大或減小4%，宇宙中的恒星將不能夠產生碳和氧，這樣的結果便是宇宙中將不可能出現今天我們看到的生命景象。但是一項最新研究卻顯示了其中更加複雜的機理。科學家們發現，α的值在不同的宇宙方向上，在數十億年前，存在輕微差異。具體來說，其值在北半球天空稍小，而在南半球天空稍大。對此的一種可能解釋是：微細結構常數可能在空間中存在連續的變化，而其變化都對生命的存在意義重大。

來自澳大利亞新南威爾士大學的物理學家約翰?韋伯(John Webb)和他的合作者調閱了兩架望遠鏡的觀測數據，以便研究微細結構常數(α)與空間變化之間的關係。他們使用的望遠鏡包括位於北半球夏威夷莫納克亞山頂的凱克望遠鏡(口徑10米)，以及位於南半球智利的歐洲南方天文臺甚大望遠鏡(口徑8米)。研究人員利用這些世界上最強大的望遠鏡對超過100個類星體目標進行了觀測。類星體是一種距離極為遙遠但是亮度極大的天體，其強大的能量來自於其內部的黑洞。

通過對類星體的光譜測量，研究人員可以獲得其電磁輻射在高紅移情況下的頻率數據，通過這些數據我們可以得出其距離數值，比如距離地球大約100億光年。這些古老的光線在穿越茫茫太空時，會經過一些古老的宇宙塵埃雲，其中一些波長的光線就被吸收，通過對光譜吸收線的分析，科學家可以分析出這些塵埃雲的化學成分。

對這些塵埃雲化學組成的分析將使研究人員得以進一步推算當時微細結構常數α的值，因為α本身便是對兩個帶電微粒之間電磁力作用大小的描述。作為一種電磁力的耦合常數，α的值也和自然界的另三大基本力常數相似：強核力、弱核力以及引力。微細結構常數的物理學意義，其中最重要的一點，便是決定了原子核對其外側電子的束縛力大小。

通過對南天、北天兩架望遠鏡觀測數據的對比，研究人員發現了一個奇怪的現象，那就是：南天獲取數據推算出的α值要比目前所知的值大大約10萬分之一，而北天獲取的數據推算出的α值則要比目前的值小大約10萬分之一。這些“偶極”模型數據的統計學誤差計算顯示其“事發偶然”的可能性僅有大約 1/15000

這一結果讓韋伯和他的同事們非常震驚，因為這和1999年發佈的精密測量數據結果是衝突的。當時的研究人員使用的是位於北半球的凱克望遠鏡，那時候他們就已經注意到這樣一個奇怪的現象，那就是：所觀測的類星體距離越遠(意味著年代越久遠)，α的值就越小。因此當科學家們利用智利的大型望遠鏡在南半球進行觀測時，他們也認為會出現一樣的結果。但是數據卻顯示α的值出現了相反的增長趨勢，這讓他們措手不及，困惑不已。當他們終於排除了一切外來干擾和誤差的可能性之後，他們意識到他們看到的是α值在南天和北天的數值差異現象。

因此，如果說科學家們僅僅使用了一個半球的望遠鏡進行觀測，那麼他們會注意到α的值具有時間上的變化，而當他們使用另一個半球的望遠鏡進行對比觀測時，他們會發現α的值還具有空間上的變化。這一發現具有重大意義，首先一點，它顛覆了一種我們深信不疑的觀點，那就是物理定律“放之宇宙皆準”。這一發現同時也與“愛因斯坦等效原理”不符，其結果暗示我們所處的宇宙可能要比我們原先設想的大得多，甚至可能是無限的。目前，科學家們將組織更精細的實驗來驗證這一發現，並且看看微細結構常數上去的的進展是否能帶領科學家們達到對於我們的宇宙的更深層次理解。