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在物理学上，有很多不同领域的常数，用来帮助科学家进行复杂的计算。我们上学的时候也学过很多常数，比如万有引力常数、普朗克常数、光速等等。 按理说，在我们的宇宙中，这些常数都是恒定不变的，因为宇宙遵循着同一个物理法则。可是，最近的研究发现，即使是在我们的宇宙中，有些位置的物理学常数竟然也和我们地球上不一样。 这一次震惊科学家的，就是传说中的精细结构常数。 精细结构常数最早起自玻尔对氢原子光谱的解释，而索末菲在对此进行深入研究的时候提出了这个常数，所以它又被称作索末菲常数。 精细结构常数α=e^2/(4πε0cħ)，其中e是电子的电荷，ε0是真空介电常数，ħ是约化普朗克常数，c是真空中的光速。计算结果显示，精细结构常数约等于1/137。虽然玻尔的原子模型后来被推翻了，但是物理学家们发现了精细结构常数在衡量电磁力以及其他方面具有重要的意义，所以它一直保存了下来。 而且，精细结构常数非常有趣，它不仅仅是一个极罕见的无量纲（也就是没有单位）的物理常数，而且很多数学上的常数经过简单的变换后也能得到这个数字。因此，自从精细结构常数被提出之后，就有无数科学家为之着迷。著名物理学家泡利临终前住的病床就是137号，这也让他在对精细结构常数的思考中离开了人世。关于精细结构常数内容非常复杂，我们有机会单独推出一期节目介绍。 可是，偏偏是这样一个常数，最近被发现它并不“常”。科学家对遥远宇宙的观测显示，在宇宙的不同位置，精细结构常数可能是不同的。 这一发现，基于宇宙的各向异性。我们前不久刚刚介绍过NASA的最新观测数据，显示科学家长久以来所相信的宇宙各向同性理论恐怕将要推翻。所谓的宇宙各向同性，指的是当观测范围扩大到一定程度后，我们朝任何方向观测到的宇宙都是一样的，这隐喻着宇宙并没有一个中心。可是，NASA对几十个星系退行速度的研究表明，这个理论或许是错误的，这意味着宇宙是有中心的。 不仅有中心，新的研究还暗示我们：宇宙甚至还有“南北”之别。通过电磁学的理论和发现，科学家有望给宇宙标出一个明确的方向。 来自澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的天体物理学家约翰·韦伯（John Webb）表示：“（新的研究）似乎印证了这个猜想，也就是说，宇宙中可能真的存在方向性，这确实非常奇怪。从统计学的角度上推测出的宇宙各向同性，可能被推翻了。” 那么，所谓的宇宙南北之别，其意义又从何而来呢？ 韦伯进一步解释：宇宙中可能存在着某一个特定的方向（或者说两个方向，即同一点的两侧），物理定律沿着这个方向有所变化。但是，在与它垂直的方向上，物理定律还是稳定的。“换句话说，宇宙在某种意义上来说，有一个偶极子结构。” 如果你还觉得有点迷糊，不如通过我这个比喻来理解：由于地球是一个椭球体，赤道半径比极半径略长。因此，随着纬度的不同，重力加速度g也有所不同。但是在同一个纬度上，g是没有变化的（这里就不考虑地形的因素了）。按照新的发现，宇宙中的物理定律，也会随着”宇宙的纬度“而变化，但是在同一个”宇宙的纬度“上是恒定的。 那么，韦伯所说的偶极子是什么呢？其实很简单，就是一对相反的电荷或者磁核，它们可以形成一个电场或者磁场。 电磁力在我们的宇宙中，扮演着极其重要的作用，这一点相信不需要过多解释。比如宇宙中的每一个原子，都是在电磁力的束缚下，让电子老老实实围绕原子核周围的。没有电磁力，一切原子都将瓦解。同样的，电磁波也是宇宙中的重要元素，光就是电磁波的一种。 正是通过对电磁力的观测，科学家才发现了精细结构常数在宇宙中的微弱变化——看看精细结构常数的计算公式你也会明白，它与电磁学之间有着多么密切的关系。 研究小组利用位于智利的甚大望远镜阵列（VLT），先后4次观测了130亿光年以外的类星体——那是宇宙中最原始的模样。通过甚大望远镜的强大观测能力，他们对早期宇宙的电磁力进行了研究。 “当我们把所有的观测数据放在一起的时候就会发现，”韦伯介绍说，“随着我们观测的距离越来越远，电磁力似乎就越来越大；而当我们朝着相反的方向观测时，它就会逐渐减少。”而这个观测结果，也代表着随着宇宙空间位置的变化，精细结构常数也有着微小的不同。 这给科学家们带来了一个深深的思考：那些我们看起来“刚刚好”的科学巧合，到底是否适用于全宇宙范围？我们的宇宙到底是否遵从同一套法则呢？ 如果他们的发现得到印证，那对于现代宇宙学来说，无疑是一次巨大的冲击。 巧了，证据说来就来。 美国有一组研究人员，长期致力于对X射线的研究，却无心插柳，也发现了相关的证据。他们在观测宇宙的时候，也发现宇宙的不均匀性，似乎隐藏着某种长期以来不为人知的排列方式。巧合的是，他们发现的这个可能的排列方式，恰好与新南威尔士大学这支研究团队是相同的！ 虽然这两支团队的研究成果相互印证，但是我们还是需要更多的证据来证明这件事。但可以肯定的是，如果宇宙真的像他们所说的那样有特定的排列方向，那么我们对于宇宙的认知就要重建了。同时，那一座物理学的“大厦”，恐怕也将遭遇到一次强烈的“地震”。 “我们的标准宇宙学模型是建立在一个各向同性宇宙的基础上，”韦伯说，“而这个标准模型本身是建立在爱因斯坦的引力理论之上，而引力理论本身就明确地假设了自然规律的不变性。如果这样的理论最终被证明仅仅是一个大概的结果，那么物理学中一些非常令人兴奋的全新的大门就会被打开。” 实际上，关于精细结构常数是否恒定不变的问题，虽然听起来有点玄，但科学家们确实已经好奇很久了。直到今天，我们终于发现了一些证据。而这个证据不仅仅有望解答科学家们好奇已久的这个“小问题”，甚至会带来整个宇宙模型轰动的“大问题”。 可以肯定，我们正在经历一个特殊的年代，物理学大厦不断敞开新的大门，让我们见识全新的世界。包括所谓的第五种基本作用力，物质的第五种状态等等，或许都将要浮出水面。这将是物理学实现突破的一次机会，或许人类走向宇宙的通道，也正在一点点打开。 |
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