在宇宙最极端的环境里，这个基本常数依然保持不变

vooper

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今天，我们对宇宙的理解主要是基于两个理论：广义相对论和粒子物理学的标准模型。尽管它们极其成功，但一些物理学家预期它们会在某些条件下失效。物理学家提出了许多试图超越它们的理论，一些替代理论预言那些被认为在宇宙中任何地方都应该保持的不变的自然常数（比如光速或万有引力常数等）或许会随着时间和空间发生轻微的改变。

最近，一个国际合作的物理学家团队选择在宇宙中最极端的环境中，检验一个非常重要的常数——精细结构常数是否会发生变化。他们的研究结果表明，精细结构常数或许是最“血性”的一个基本自然常数！因为即使在黑洞的“地盘”上，它依然维持不变。

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精细结构常数是一个无量纲常数，它由光速、电子电荷等其他几个基本常数构成，约等于1/137。它是量子电动力学（QED）的核心。QED是电磁力的量子理论，它描述了光与物质间的相互作用，而精细结构常数决定了相互作用的强度。

一直以来，物理学家好奇于为什么它的值约等于1/137。而且这个值的大小对宇宙至关重要，如果它的值太大，质子间的排斥力会增加，那么小原子核就无法结合在一起；如果这个值太小，分子键会在低温下断裂，从而改变许多重要的生命演化过程。

此前，已有不同的物理学团队在地球上进行过一系列非常精确的实验测试，证明了精细结构常数不会随时间变化。2010年的一项研究曾提出，精细结构常数有可能会随着科学家向外宇宙探索的深入而发生变化，其值可能会沿某些方向增加或减少。因此，科学家一直试图用各种方法对这个常数进行测试。

有研究人员曾在致密的白矮星表面探索精细结构常数，那里也有着非常极端的引力环境，但他们并没有发现任何显著的变化。因此研究人员想要知道，在更加极端的引力环境中，比如黑洞附近，结果是否会不同。

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在一篇刚刚发表于《物理评论快报》的研究中，物理学家就在银河系中心的超大质量黑洞附近，用一种新的方法，对决定了带电粒子互相吸引程度的精细结构常数进行了检验。

这次，论文的作者是通过观测在银河系中心的超大质量黑洞周围的五颗恒星的星光，来寻找精细结构常数是否有什么不同的蛛丝马迹。这五颗恒星分别是S0-6、S0-12、S0-13、S1-5和S1-23，它们是晚型巨星，大气中都拥有多种原子的吸收线。吸收线指的是，当来自这些恒星的星光被分解成不同的波长时，可以显现出吸收谱线的特征，这表明特定波长的光被某些原子吸收了。

○ 一群环绕着银河系中心的超大质量黑洞的恒星。通过观测五颗这样的恒星，物理学家证明了黑洞附近的精细结构常数与地球上的相同。| 图片来源：ESO/L. CAL?ADA/SPACEENGINE.OR

不同吸收线对精细结构常数具有不同的敏感度。因此，如果银心的精细结构常数发生了任何变化，每一种吸收线都会受到不同程度的影响。通过比较不同吸收线与在地球上测量的值的差异，就可以直接估算出精细结构常数的变化。

通过分析这五颗恒星的光谱测量结果，研究人员计算出的精细结构常数的相对变化小于10??。换句话说，最新测得的吸收线基本与预期高度一致。

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这是科学家首次在黑洞附近研究精细结构常数的变化，也是首次在一个高引力势的黑洞周围探索自然常数的变化。这是一次具有重大意义的突破，因为它开启了通过监测银河系中心的恒星来探索基础物理学的新方法，标志着一种新型研究方法的开始。

参考来源：

https://arxiv.org/pdf/2002.11567.pdf

原文地址：今日头条

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