物理定律在宇宙中無處不在，如果我們不了解基本規(guī)則，就很難解開宇宙不同部分的復(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，支配我們宇宙的基本常數(shù)可能不是恒定的，而是隨著時間和空間而變化。要測量基本常數(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。但這可能無法進(jìn)行測試，因?yàn)槲覀儗τ糜?span id="dy83tdl" class="wpcom_tag_link">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，我們用來測量那速度變化的尺子也會相應(yīng)改變。
光速定義了空間和時間之間的關(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，我們需要研究一個無量綱常數(shù)，它沒有單位，因此不依賴于我們對這些單位的定義。
也許最有希望的例子是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，它是對電磁力強(qiáng)度的無量綱描述。在量子場論的語言中，它是電磁場和帶電場（如電子場）之間的耦合強(qiáng)度。我們使用希臘字母α來表示精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，其數(shù)值是物理學(xué)中最精確測量的量之一，精確到 40 億分之一，它的近似值大約是1/137。沒有人知道α為何是這個值，但如果你改變它的值，我們的宇宙看起來會非常不同。這個基本參數(shù)的第一次測量是通過它對原子能級精細(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)的測量
電子能級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。當(dāng)電子在能級之間移動時，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)我們觀察氣體的光譜時，我們會在特定波長的波峰中看到這種效應(yīng)。我們將這些特征稱為譜線，如果您查看它們的精細(xì)結(jié)構(gòu)，您會發(fā)現(xiàn)一些譜線被分成兩部分，對應(yīng)于非常細(xì)微的不同能量。這種分裂是由于每個原子能級可以容納兩個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的磁矩。即使沒有實(shí)際旋轉(zhuǎn)，它們也有磁場，就像一個小條形磁鐵。這些電子也在圍繞原子核運(yùn)行，并且這種運(yùn)動也會產(chǎn)生自己的磁場。由電子自旋及其軌道運(yùn)動產(chǎn)生的磁場實(shí)際上在稱為自旋-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對齊或與之相反。與場對齊是更穩(wěn)定的狀態(tài)，它的能量比相反的對齊略低。因此，當(dāng)電子在軌道之間跳躍時，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)生的光譜線波長的差異非常小。
但是這一切與物理定律的變化有什么關(guān)系呢？這個波長分裂的大小很大程度上取決于精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。為了測量α的變化，我們只需要尋找線分裂幅度的變化。這種測量的關(guān)鍵是類星體，當(dāng)類星體的光在到達(dá)我們的途中穿過巨大的氣體云時，這些云中的元素會吸收光子以產(chǎn)生光譜線。通過觀察許多類星體，我們可以發(fā)現(xiàn)存在于宇宙過去不同時期的吸收云，這些吸收線中的精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂可以用來跟蹤宇宙時間中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個類星體的視線研究云中的鐵和鎂吸收線。他們的結(jié)果表明，α在過去稍微小了大約100000分之一。在他們2004年的論文中，他們聲稱5西格瑪顯著性表明檢測到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個西格瑪顯著性，這與α沒有變化是一致的。這里的挑戰(zhàn)是測量非常非常困難。來自這些極其遙遠(yuǎn)的類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，重要的是要讓多個團(tuán)隊重復(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。
