近日，原子能院核物理所核物理基礎(chǔ)研究室開展的精細結(jié)構(gòu)常數(shù)變化與宇宙成分關(guān)聯(lián)研究取得新進展。研究結(jié)果揭示了精細結(jié)構(gòu)常數(shù)變化與宇宙成分之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，暗示了精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化可能是宇宙膨脹的結(jié)果。

    該成果于3月12日發(fā)表在影響因子高達4.833的美國物理學(xué)會著名期刊Physical Review D的第103卷第6期上，期刊評審專家認(rèn)為這是一篇有意思的研究論文，得到了一些令人關(guān)注的結(jié)果。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金重大項目和財政部穩(wěn)定支持經(jīng)費的資助。

    精細結(jié)構(gòu)常數(shù)(α)是物理學(xué)中極為重要的無量綱常數(shù)，表征著電磁相互作用的耦合強度，反映了自然界的某種根本屬性。精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的可變性的研究對于深刻理解自然規(guī)律和揭示新物理有著深遠的影響。

    2020年9月以來，在原子能院李志宏研究員的指導(dǎo)下，李歌星博士后開始研究精細結(jié)構(gòu)常數(shù)變化與宇宙成分演化之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。他們假設(shè)精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化是由宇宙的膨脹引起的，再利用描述宇宙演化的弗里德曼方程將兩者聯(lián)系起來。由于描述均勻、各向同性的平直宇宙的弗里德曼方程中的兩個自由參數(shù)有多種組合方式，要發(fā)現(xiàn)其背后的演化關(guān)系非常困難。

    經(jīng)過夜以繼日的奮戰(zhàn)，他們終于發(fā)現(xiàn)了通過量綱分析可以約束精細結(jié)構(gòu)常數(shù)變化率的可能形式，并通過擬合觀測數(shù)據(jù)導(dǎo)出精細結(jié)構(gòu)常數(shù)相對變化量與宇宙膨脹率之間的關(guān)系，再基于冷暗物質(zhì)模型得到了精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的相對變化量與當(dāng)前宇宙中暗能量所占比重的關(guān)系。基于他們建立的模型估算，精細結(jié)構(gòu)常數(shù)變化的實驗數(shù)據(jù)與當(dāng)前宇宙中暗能量所占的比重 70%左右相符，并可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型估計當(dāng)前的宇宙年齡約為136億年。這些結(jié)果與普朗克合作組2018年公布的結(jié)果一致。

    研究結(jié)果顯示，精細結(jié)構(gòu)常數(shù)隨宇宙的演化關(guān)系是先逐漸增大，后趨于不變。宇宙早期的精細結(jié)構(gòu)常數(shù)比當(dāng)前值約小十萬分之一，該結(jié)果與大爆炸核合成和宇宙微波背景輻射的研究給出的上限是符合的。對于當(dāng)前宇宙，模型估計精細結(jié)構(gòu)常數(shù)正以6.0×10-16/年的速度在逐漸增大，也符合原子鐘實驗的測量結(jié)果。這些實驗結(jié)果都有力地支持了該模型建立的關(guān)系。

    根據(jù)模型預(yù)測，遙遠的未來宇宙將幾乎完全由暗能量主導(dǎo)，宇宙的膨脹率幾乎不再發(fā)生變化，精細結(jié)構(gòu)常數(shù)也將逐漸停止變化。

精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化量隨宇宙時間的變化，H0t表示哈勃常數(shù)與宇宙年齡的乘積。

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    精細結(jié)構(gòu)常數(shù)被發(fā)現(xiàn)以來一直是個謎，許多優(yōu)秀的科學(xué)家都把它貼在墻上，并為它大傷腦筋。

    精細結(jié)構(gòu)常數(shù)不但與原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，也與萬有引力常數(shù)之間存在著某種神秘的聯(lián)系；原子鐘的振蕩頻率可以表示為精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的冪級數(shù)形式；精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的倒數(shù)近似為137，正好與宇宙的年齡接近……

    國際上很多大科學(xué)家都很熱衷于精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的研究：美國物理學(xué)家勞倫斯認(rèn)為，數(shù)字137將是地球人發(fā)給外星人的重要信號，以表明我們對地球的掌握程度。諾貝爾獎獲得者沃爾夫?qū)づ堇簧紝毥Y(jié)構(gòu)常數(shù)都十分著迷，他臨終時住的病房號就是137，他還開玩笑地說：“我見到上帝的第一個問題就要問精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的真正含義是什么？”

    自從狄拉克1937年發(fā)現(xiàn)微觀和宇觀尺度之間的聯(lián)系并提出大數(shù)假說以來，精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的不變性也受到了質(zhì)疑。近一個世紀(jì)以來，人們利用原子鐘、同位素比例、白矮星等實驗來檢驗精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的不變性。1999年，J.K.Webb團隊通過對類星體吸收譜的測量和分析發(fā)現(xiàn)了精細結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間和空間變化的證據(jù)。

    精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化將導(dǎo)致現(xiàn)有物理規(guī)律隨時間和空間的變化，暗示著自然界隱含的內(nèi)在規(guī)律即將曝光，所以精細結(jié)構(gòu)常數(shù)的可變性的研究對于深刻理解自然規(guī)律和揭示新物理有著深遠的影響。