宇宙物理學大廈要崩？遙遠天體暗示：這個常數在宇宙各處數值不同

在物理學上，有很多不同領域的常數，用來幫助科學家進行複雜的計算。我們上學的時候也學過很多常數，比如萬有引力常數、普朗克常數、光速等等。

按理說，在我們的宇宙中，這些常數都是恆定不變的，因為宇宙遵循著同一個物理法則。可是，最近的研究發現，即使是在我們的宇宙中，有些位置的物理學常數竟然也和我們地球上不一樣。

這一次震驚科學家的，就是傳說中的精細結構常數。

精細結構常數最早起自玻爾對氫原子光譜的解釋，而索末菲在對此進行深入研究的時候提出了這個常數，所以它又被稱作索末菲常數。

精細結構常數α=e^2/(4πε0cħ)，其中e是電子的電荷，ε0是真空介電常數，ħ是約化普朗克常數，c是真空中的光速。計算結果顯示，精細結構常數約等於1/137。雖然玻爾的原子模型後來被推翻了，但是物理學家們發現了精細結構常數在衡量電磁力以及其他方面具有重要的意義，所以它一直保存了下來。

而且，精細結構常數非常有趣，它不僅僅是一個極罕見的無量綱（也就是沒有單位）的物理常數，而且很多數學上的常數經過簡單的變換後也能得到這個數字。因此，自從精細結構常數被提出之後，就有無數科學家為之著迷。著名物理學家泡利臨終前住的病床就是137號，這也讓他在對精細結構常數的思考中離開了人世。關於精細結構常數內容非常複雜，我們有機會單獨推出一期節目介紹。

可是，偏偏是這樣一個常數，最近被發現它並不「常」。科學家對遙遠宇宙的觀測顯示，在宇宙的不同位置，精細結構常數可能是不同的。

這一發現，基於宇宙的各向異性。我們前不久剛剛介紹過NASA的最新觀測數據，顯示科學家長久以來所相信的宇宙各向同性理論恐怕將要推翻。所謂的宇宙各向同性，指的是當觀測範圍擴大到一定程度後，我們朝任何方向觀測到的宇宙都是一樣的，這隱喻著宇宙並沒有一個中心。可是，NASA對幾十個星系退行速度的研究表明，這個理論或許是錯誤的，這意味著宇宙是有中心的。

不僅有中心，新的研究還暗示我們：宇宙甚至還有「南北」之別。通過電磁學的理論和發現，科學家有望給宇宙標出一個明確的方向。

來自澳大利亞新南威爾斯大學（UNSW）的天體物理學家約翰·韋伯（John Webb）表示：「（新的研究）似乎印證了這個猜想，也就是說，宇宙中可能真的存在方向性，這確實非常奇怪。從統計學的角度上推測出的宇宙各向同性，可能被推翻了。」

那麼，所謂的宇宙南北之別，其意義又從何而來呢？

韋伯進一步解釋：宇宙中可能存在著某一個特定的方向（或者說兩個方向，即同一點的兩側），物理定律沿著這個方向有所變化。但是，在與它垂直的方向上，物理定律還是穩定的。「換句話說，宇宙在某種意義上來說，有一個偶極子結構。」

如果你還覺得有點迷糊，不如通過我這個比喻來理解：由於地球是一個橢球體，赤道半徑比極半徑略長。因此，隨著緯度的不同，重力加速度g也有所不同。但是在同一個緯度上，g是沒有變化的（這裡就不考慮地形的因素了）。按照新的發現，宇宙中的物理定律，也會隨著」宇宙的緯度「而變化，但是在同一個」宇宙的緯度「上是恆定的。

那麼，韋伯所說的偶極子是什麼呢？其實很簡單，就是一對相反的電荷或者磁核，它們可以形成一個電場或者磁場。

電磁力在我們的宇宙中，扮演著極其重要的作用，這一點相信不需要過多解釋。比如宇宙中的每一個原子，都是在電磁力的束縛下，讓電子老老實實圍繞原子核周圍的。沒有電磁力，一切原子都將瓦解。同樣的，電磁波也是宇宙中的重要元素，光就是電磁波的一種。

正是通過對電磁力的觀測，科學家才發現了精細結構常數在宇宙中的微弱變化——看看精細結構常數的計算公式你也會明白，它與電磁學之間有著多麼密切的關係。

研究小組利用位於智利的甚大望遠鏡陣列（VLT），先後4次觀測了130億光年以外的類星體——那是宇宙中最原始的模樣。通過甚大望遠鏡的強大觀測能力，他們對早期宇宙的電磁力進行了研究。

「當我們把所有的觀測數據放在一起的時候就會發現，」韋伯介紹說，「隨著我們觀測的距離越來越遠，電磁力似乎就越來越大；而當我們朝著相反的方向觀測時，它就會逐漸減少。」而這個觀測結果，也代表著隨著宇宙空間位置的變化，精細結構常數也有著微小的不同。

這給科學家們帶來了一個深深的思考：那些我們看起來「剛剛好」的科學巧合，到底是否適用於全宇宙範圍？我們的宇宙到底是否遵從同一套法則呢？

如果他們的發現得到印證，那對於現代宇宙學來說，無疑是一次巨大的衝擊。

巧了，證據說來就來。

美國有一組研究人員，長期致力於對X射線的研究，卻無心插柳，也發現了相關的證據。他們在觀測宇宙的時候，也發現宇宙的不均勻性，似乎隱藏著某種長期以來不為人知的排列方式。巧合的是，他們發現的這個可能的排列方式，恰好與新南威爾斯大學這支研究團隊是相同的！

雖然這兩支團隊的研究成果相互印證，但是我們還是需要更多的證據來證明這件事。但可以肯定的是，如果宇宙真的像他們所說的那樣有特定的排列方向，那麼我們對於宇宙的認知就要重建了。同時，那一座物理學的「大廈」，恐怕也將遭遇到一次強烈的「地震」。

「我們的標準宇宙學模型是建立在一個各向同性宇宙的基礎上，」韋伯說，「而這個標準模型本身是建立在愛因斯坦的引力理論之上，而引力理論本身就明確地假設了自然規律的不變性。如果這樣的理論最終被證明僅僅是一個大概的結果，那麼物理學中一些非常令人興奮的全新的大門就會被打開。」

實際上，關於精細結構常數是否恆定不變的問題，雖然聽起來有點玄，但科學家們確實已經好奇很久了。直到今天，我們終於發現了一些證據。而這個證據不僅僅有望解答科學家們好奇已久的這個「小問題」，甚至會帶來整個宇宙模型轟動的「大問題」。

可以肯定，我們正在經歷一個特殊的年代，物理學大廈不斷敞開新的大門，讓我們見識全新的世界。包括所謂的第五種基本作用力，物質的第五種狀態等等，或許都將要浮出水面。這將是物理學實現突破的一次機會，或許人類走向宇宙的通道，也正在一點點打開。