新发现：宇宙有方向性？物理学规律各不相同？

武汉嘉瑞

作者：星空天文

不久前有科学家发现，在宇宙的不同方向上测得的哈勃常数——也就是宇宙膨胀的速度——不统一；而现在，又有科学家发现另外一个物理学基本常数——精细结构常数——在宇宙的不同方向上也呈现出了不一致。

天文学家通过遥远的类星体ULAS J1120+0641（图中心的红点），发现了一个非常奇怪的现象——精细结构常数在宇宙的某个方向上表现异常。我们现在看到的，是这个类星体在宇宙诞生后仅7.7亿年时的影像。ESO / UKIDSS / SDS

这是一个非常奇怪的现象。因为基本常数的差异可能表明在宇宙的不同时空中，物理学规律不一样。

悉尼新南威尔士大学科学家Michael Wilczynska和John Webb等人在《科学进取》杂志上刊文宣称，他们在对来自一个距地球约130亿光年的类星体发出的光进行了4次测量后发现，之前的一个存疑研究结果——宇宙不同方向上精细结构常数存在微小差异的现象可能确实存在。

精细结构常数是电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空中光速的比值，是一个没有单位的数字，但它决定了电磁力有多强。

电子得以围绕原子核飞行的有赖于电磁力，没有电磁力宇宙中的一切物质都将土崩瓦解。科学家一直认为，无论在时空的何处，电磁力的强度都是恒定的。但是在过去20年间，John Webb教授发现在宇宙的特定方向上，电磁力和精细结构常数出现了异常。

研究人员起初对此持怀疑态度，因为这种差异可能是设备原因，或计算错误。异常出现在当研究人员使用大型望远镜对遥远宇宙中的高能天体——类星体进行观测的过程中。这些类星体距地球至少有120亿至130亿光年。因此它们发出的光实际上来自婴儿期的宇宙。宇宙最早的时候和今天几乎完全不同。那时没有真正的星系。恒星虽已出现，但也和今天也不一样。至于行星则还根本不存在。

研究人员在同一个方向上，对同一个类星体进行了4次观测，对精细结构常数进行了4次测量。这4次测量本身并不足以让人得出精细结构常数是否会发生变化的结论，但是当他们将结果和其他与此研究无关的科学家，针对类星体和地球之间大量对象所进行的测量结果综合起来之后，精细结构常数的异常开始变得明显起来。

如果说宇宙是存在方向性的，那这个结论确实会让人感到奇怪。这意味着，从统计学的角度来看，物理学规律在宇宙的不同方向上并不完全相同。

而这种不同似乎还表现出了某种规律性，因为它只出现在某个特定的方向上，而在与之垂直的方向上并没有这种趋势。也就是说，从某种意义上来说，宇宙可能有两极结构。

在一个方向上，研究人员通过分析来自120亿年前的光，发现电磁力的强度呈逐渐增强趋势；在相反方向上，电磁力的强度呈逐渐减弱趋势。而在其他方向上，精细结构常数没有发生变化。这就好像我们一直以为物质随机分布的均匀宇宙，忽然间就有了南北之分。

Webb教授本人对此也依然持怀疑态度。但这可能并不只是一个巧合。另一个以K. Migkas为首的，与此研究无关的美国科研团队，也通过X射线观测发现，宇宙可能存在某种意义上的方向性。

假如这一发现被越来越多的证据所确认，那意义将是重大的。它或许可以告诉我们我们的宇宙为什么会是这样，甚至于告诉我们为什么宇宙中会存在生命。

一直以来都有人在思考，为什么这个宇宙中的自然规律会表现出一种适合生命繁衍的特征。电磁力的强度就是其中之一。假如精细结构常数稍有不同，宇宙的化学演化方式就会完全不同，生命也将没有任何机会出现。而这又让我们思考这样一个问题，所谓的“宜居”，即生命所依赖的“恰到好处”的基本物理学常量，比如精细结构常数，是否在整个宇宙中都一样？

假如宇宙真的有方向性，假如在宇宙的某些区域，电磁力的强度不同，那么现代物理学的某些基本概念可能就需要修改。

宇宙学的标准模型是基于各向同性的，也就是假定宇宙在各个方向上，就统计学意义而言都是相同的。它建立在爱因斯坦引力论的基础上，并假设在时空的各处，自然规律都是不变的。但是如果最终人们发现，这一基本理念只是一个“近似值”，那么其意义之重大可想而知。

参考：

Four direct measurements of the fine-structure constant 13 billion years ago

https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaay9672

Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX–T scaling relation

http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361/201936602

New findings suggest laws of nature 'downright weird,' not as constant as previously thought

https://phys.org/news/2020-04-laws-nature-downright-weird-constant.amp

原文地址：今日头条  ,无意在网上看到这篇文章，深有同感。所以分享。