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大自然常数的变化性-大自然的常数

时间:2023-11-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:[16]这复杂的移动特征,与预言发生的相符合,如果精细结构常数的数值小于在吸收谱线形成之时的数值约百万分之七。其数值的大小下降得非常之小,大约为百万分之七。在深入查明奥克洛反应堆的中子俘获率是否严格依赖于精细结构常数中,撇开所有的不确定性,奥克洛观测探索的精细结构常数数值约在20亿年之前,而类星体观测跨越的范围则从约30亿年到110亿年之前。这两种观测只有在你假定精细结构常数总是以同一速率变化时才是相冲突的。

大自然常数的变化性-大自然的常数

我感到像一个来自平均值定律的难以捉摸的怪物。

——比尔·莫德林[14]

当我们第一次提出多体-多重的方法时,我们预料它会简单地导致进一步的重大改进对精细结构常数的任何允许的变化的限制。它是一种利用河外星系天文学、大型望远镜和新的探测器技术开拓发展的理想的方法。位于我们和遥远类星体之间的吸收气体是一个检验常数的不变性的理想的实验室,因为类星体是明亮的并且在宽广的红移范围内容易被望远镜接收到。虽然存在某些制约。如果你试图观察具有太高红移的星体,那么信号就会太弱难以清晰探测到。还有不幸的是,某些波长的光在向我们行进的途中会很有意思地因发生红移而消失,因为被红移的光波长落在能穿过地球大气层到达地面的波长窗口之外。

我们研究组的约翰·韦伯、迈克尔·墨菲、维克多·弗朗鲍姆、弗拉基米尔·德祖巴、克里斯·丘吉尔、迈克尔·德林克沃特、贾森·普罗哈斯卡、阿特·沃尔夫和我用三年多时间收集和分析这些结果,连同华莱士·萨金特贡献的数字,证明是出乎意外的和潜在的深远的。如果他们告诉我们,那么他们似乎在用一位评论家的话讲: [15]“它是过去五十年最惊人的发现。”

在高红移谱线的间隔与在实验室测得的间隔的比较中我们发现有一个持续的和高度明显的差异。[16]这复杂的移动特征,与预言发生的相符合,如果精细结构常数的数值小于在吸收谱线形成之时的数值约百万分之七。如果我们综合所有的结果那么总体的变差图样就是图12.4[17]所示的结果。[18]

图12.4 在不同的红移水平上,精细结构常数数值的相对移动(以10-5为单位)和对过去几十亿年(吉年)的回溯。在红移1到3之间存在明显的负移动,表明精细结构常数在昔日曾具有较小值,约小于百万分之七。(a)画出观测的所有天文学的客体。(b)在(a)中从十个观测组里收集数据点的简化数据。

1999年,第一个利用多体-多重方法(MM方法)的研究报告了在过去年代精细结构常数数值变化的证据。从那时起,数字稳步增多而且使用了更好的分析技术。值得注意的是,从147颗类星体的观测的整个集合得到相同的结果。这是最大的直接观测来攻克这个问题,130亿年前的常数是否与现在一样有相同的数值。(www.xing528.com)

这第一个惊人的特征是,如果我们利用这些结果计算昔日精细结构常数有多大,我们发现在宇宙历史中有一个时期精细结构常数看来略小于它今天的数值。其数值的大小下降得非常之小,大约为百万分之七。而观测者在利用其他方法进行的任何较早的研究中或者在任何实验室的实验中,这个量太小了,难以发现或难以探测到。它(这个微小量)指出,在昔日电和磁的作用要更弱一些而原子的作用更大一点。如果我们取红移位于0.5到3.5之间的光源体的观测作为一个整体,观测的移动值是[19]

Δα/α=[α(z)-α(现在)]/α(现在)=(-0.72± 0.18)×10-5

如果我们将这结果换算成α随时间的变化率,它相当于约

{α的变化率}/{α的现有值}=5×10-16每年

对于这些令人惊异的结果的第一个反应可能就是他们宣称发现的变化远大于来自奥克洛天然反应堆研究的证据所许可的变化。但是反思一下他们并不直接抵触。在深入查明奥克洛反应堆的中子俘获率是否严格依赖于精细结构常数中,撇开所有的不确定性,奥克洛观测探索的精细结构常数数值约在20亿年之前(红移值约0.1),而类星体观测跨越的范围则从约30亿年到110亿年之前。这两种观测只有在你假定精细结构常数总是以同一速率变化时才是相冲突的。但是,如同我们将要看到的那样,没有需要作任何假设。

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