物理定律在宇宙中無(wú)處不在，如果我們不了解基本規(guī)則，就很難解開(kāi)宇宙不同部分的復(fù)雜性。這些關(guān)系通常表示為方程式，但它們也受這些方程式中的常數(shù)控制。有理論預(yù)測(cè)，支配我們宇宙的基本常數(shù)可能不是恒定的，而是隨著時(shí)間和空間而變化。要測(cè)量基本常數(shù)的變化，我們首先需要選擇正確的常數(shù)。
常數(shù)的選擇
讓我們先試試光速，它今天在真空中的值為299792458m/s。但它總是這個(gè)值嗎？有人提出，光速的變化可能是暴脹理論的替代方案，甚至是宇宙明顯膨脹的替代方案。但這可能無(wú)法進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)槲覀儗?duì)用于定義光速的單位的定義是任意的，并且它們本身取決于該速度。米的官方定義是光在299792458分之一秒內(nèi)傳播的距離，秒是根據(jù)銫-133原子發(fā)出的特定頻率的光定義的。如果光速發(fā)生變化，我們用來(lái)測(cè)量那速度變化的尺子也會(huì)相應(yīng)改變。
光速定義了空間和時(shí)間之間的關(guān)系，那么談?wù)撍?dú)立于其潛在維度的變化是否有意義？事實(shí)上，解釋任何具有單位的物理常數(shù)的變化是不可能的。例如，牛頓引力常數(shù)或電子質(zhì)量都有人類(lèi)的任意定義。為了確信我們已經(jīng)看到了基本常數(shù)的變化，我們需要研究一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)，它沒(méi)有單位，因此不依賴(lài)于我們對(duì)這些單位的定義。
也許最有希望的例子是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，它是對(duì)電磁力強(qiáng)度的無(wú)量綱描述。在量子場(chǎng)論的語(yǔ)言中，它是電磁場(chǎng)和帶電場(chǎng)（如電子場(chǎng)）之間的耦合強(qiáng)度。我們使用希臘字母α來(lái)表示精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，其數(shù)值是物理學(xué)中最精確測(cè)量的量之一，精確到 40 億分之一，它的近似值大約是1/137。沒(méi)有人知道α為何是這個(gè)值，但如果你改變它的值，我們的宇宙看起來(lái)會(huì)非常不同。這個(gè)基本參數(shù)的第一次測(cè)量是通過(guò)它對(duì)原子能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響，這也是該常數(shù)得名的地方。這種效應(yīng)也是我們測(cè)試α是否在變化的方式，所以讓我們研究一下。
精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的測(cè)量
電子能級(jí)或原子中的軌道是量子化的，這意味著只允許存在某些特定的能級(jí)。當(dāng)電子在能級(jí)之間移動(dòng)時(shí)，它們發(fā)射或吸收光子，其能量等于電子損失或獲得的能量。當(dāng)我們觀(guān)察氣體的光譜時(shí)，我們會(huì)在特定波長(zhǎng)的波峰中看到這種效應(yīng)。我們將這些特征稱(chēng)為譜線(xiàn)，如果您查看它們的精細(xì)結(jié)構(gòu)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)一些譜線(xiàn)被分成兩部分，對(duì)應(yīng)于非常細(xì)微的不同能量。這種分裂是由于每個(gè)原子能級(jí)可以容納兩個(gè)電子并且這些電子具有指向相反方向的自旋。
量子自旋為電子提供了我們所說(shuō)的磁矩。即使沒(méi)有實(shí)際旋轉(zhuǎn)，它們也有磁場(chǎng)，就像一個(gè)小條形磁鐵。這些電子也在圍繞原子核運(yùn)行，并且這種運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)。由電子自旋及其軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)際上在稱(chēng)為自旋-軌道耦合的效應(yīng)中相互作用。這種相互作用有兩種穩(wěn)定的配置：小條形磁鐵可以與軌道場(chǎng)對(duì)齊或與之相反。與場(chǎng)對(duì)齊是更穩(wěn)定的狀態(tài)，它的能量比相反的對(duì)齊略低。因此，當(dāng)電子在軌道之間跳躍時(shí)，它們吸收或發(fā)射的能量取決于它們的自旋排列，結(jié)果是這些躍遷產(chǎn)生的光譜線(xiàn)波長(zhǎng)的差異非常小。
但是這一切與物理定律的變化有什么關(guān)系呢？這個(gè)波長(zhǎng)分裂的大小很大程度上取決于精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。為了測(cè)量α的變化，我們只需要尋找線(xiàn)分裂幅度的變化。這種測(cè)量的關(guān)鍵是類(lèi)星體，當(dāng)類(lèi)星體的光在到達(dá)我們的途中穿過(guò)巨大的氣體云時(shí)，這些云中的元素會(huì)吸收光子以產(chǎn)生光譜線(xiàn)。通過(guò)觀(guān)察許多類(lèi)星體，我們可以發(fā)現(xiàn)存在于宇宙過(guò)去不同時(shí)期的吸收云，這些吸收線(xiàn)中的精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂可以用來(lái)跟蹤宇宙時(shí)間中α的變化。
結(jié)果
澳大利亞的一組研究人員正是這樣做的。他們使用夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡，沿143個(gè)類(lèi)星體的視線(xiàn)研究云中的鐵和鎂吸收線(xiàn)。他們的結(jié)果表明，α在過(guò)去稍微小了大約100000分之一。在他們2004年的論文中，他們聲稱(chēng)5西格瑪顯著性表明檢測(cè)到α的變化。
現(xiàn)在這一切都具有高度暗示性，但這些結(jié)果絕不會(huì)被廣泛接受。最近一些重新分析數(shù)據(jù)的嘗試表明只有2 到3個(gè)西格瑪顯著性，這與α沒(méi)有變化是一致的。這里的挑戰(zhàn)是測(cè)量非常非常困難。來(lái)自這些極其遙遠(yuǎn)的類(lèi)星體和氣體云的光子發(fā)生了巨大的紅移。這種紅移需要仔細(xì)考慮，還有許多其他潛在的系統(tǒng)誤差可能偽裝成精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化。這些潛在的陷阱提醒我們，在結(jié)果被接受之前，重要的是要讓多個(gè)團(tuán)隊(duì)重復(fù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
目前，在進(jìn)行更多更好的實(shí)驗(yàn)之前，所有這一切仍然是一種誘人的可能性。
