怎麽看待物理學家發現精細結構常數在變化，宇宙或不具有「各向同性」？

2020-05-13科學

這一發現對於理論物理意義非凡：可能觀測到了現有理論模型無法描述的現象。

Webb團隊透過對於類星體的觀測給出結論：宇宙各向不同性

（原文已OpenAccess ^[1] ^[2] ）

這裏的各向不同性，不是我們通常所說的天文觀測中發現的物質能量分布以及微波背景輻射的各方向不同。而是指 基本物理定律的各向不同性，在不同的方向上精細結構常數具有不同的數值 。

精細結構常數 \alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar c}}. 包含三個非常基礎物理學常數，分別是電子的電荷量 e ，光速 c ，和普朗克常量 \hbar 。這三個量，在已有的物理定律中認為在任何參考系在任何物理背景下都是一個純量常數，所以精細結構常數也是一個純量常數，純量就意味著各向同性。

透過測量氫原子的能階分裂，可以給出精細結構的具體數值，

它的數值在地球上很多地方都給出很精確的測量，都在誤差範圍內是一樣的。簡而言之，在地球上我們到目前為止還沒發現精細結構常數是不對稱的。

但是天文觀測上就實錘發現了精細結構常數也是可以各個方向不一樣的：從Webb這篇文章的原文中給出的結果，精細結構常數具有偶極分布這個結論偏離零假設有3.9 \sigma 。

偏離零假設這是一個統計學的方法，先假設一個反向的結果，如果不出現「意外」，那麽就證明零假設是對的。比如說我是一個每天不摸魚的人，然後10次抽樣檢查發現9次我都在摸魚，那麽就說明「零假設」是錯的，從而得到結論，我是一個經常摸魚的人。

一般情況下我們說大於3 \sigma 就是所謂「零結果」很不可靠的情況。所以這歷奇本上是可以實錘確實觀測到了各向不同性。

觀測方法也是測譜線，只不過是測量130億光年外的類星體的觀測譜線：

原文Figure

下圖是文章中的Fig3，其中灰色虛線代表 \Delta \alpha=0 ，而灰點是Webb團隊觀測給出的結果，前面彩色的點是其他觀測的結果，黑點是綜合分析的結果。

這篇文章中測量的4個數據點和之前文章綜合起來構成一個323個測點的數據集，圖中可以看出紅移量大的測點（也就是距離地球更遠的點，或者是更加古老的點）偏離地球上測到的精細結構常數的偏移量也更大，綜合所有這些測點進行分析，得到的結論是精細結構常數的測量值存在偶極分布（偶極的相對振幅是 0.72 \pm 0.16 \times 10^{−5} ）， 也就是說，精細結構常數在宇宙中的分布是不均勻的。

我非常期待有更多的這樣的天文觀測結果，這樣理論物理學家就有的忙了【盛宴尚未結束】

想想精細結構常數 \alpha 要真是一個張量那該是一件多有趣的事情，引入精細結構非對稱張量A

\alpha_T = \alpha A = \alpha {\display style {\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}\\\end{bmatrix}}} ，當 A= {\display style {\begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\\\end{bmatrix}}} 的時候退化回我們現在的樣子。

非對角元上的元素的運算式將會是什麽樣子的，有什麽更加高級的物理模型能描述這個不對稱，我們離大一統理論（GUT）又遠了一步23333333

【評論區引發的思考：】

精細結構常數如果真的非對稱，那麽它的非對稱性形式（也就是矩陣A裏的非對角元）是否隨時間變化？

物理大廈沒有必要崩塌，有可能我們現在用的常數純量 \alpha 的是一種近似，其實是個張量，但是是個1張量，在1張量下我們發展出很多漂亮的理論，但是在巨大尺度上它的非對角元有微小變化，需要更高層的理論來描述，就像經典物理是相對論的低速近似一樣。

不過這些猜想都建立在上述Paper中所說不均勻性存在的基礎上，所以一方面可以異想天開新物理，一方面期待有更精確的儀器來觀測更遠測點的精細結構常數，來驗證 \alpha 到底是不是不均勻的。

最後，多說一句，在文章簡介中還有一句讓人有些擔憂的話：