近日，原子能院核物理所核物理基礎(chǔ)研究室開(kāi)展的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)變化與宇宙成分關(guān)聯(lián)研究取得新進(jìn)展。研究結(jié)果揭示了精細(xì)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(xì)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(dá)4.833的美國(guó)物理學(xué)會(huì)著名期刊Physical Review D的第103卷第6期上，期刊評(píng)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(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和財(cái)政部穩(wěn)定支持經(jīng)費(fèi)的資助。

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

    2020年9月以來(lái)，在原子能院李志宏研究員的指導(dǎo)下，李歌星博士后開(kāi)始研究精細(xì)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(xì)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(lái)。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(gè)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(guò)夜以繼日的奮戰(zhàn)，他們終于發(fā)現(xiàn)了通過(guò)量綱分析可以約束精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)變化率的可能形式，并通過(guò)擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)相對(duì)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(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的相對(duì)變化量與當(dāng)前宇宙中暗能量所占比重的關(guān)系?；谒麄兘⒌哪Ｐ凸浪?，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)變化的實(shí)驗(yàn)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(jì)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(xì)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(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)比當(dāng)前值約小十萬(wàn)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(duì)于當(dāng)前宇宙，模型估計(jì)精細(xì)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(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)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(cè)，遙遠(yuǎn)的未來(lái)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(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)也將逐漸停止變化。

精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化量隨宇宙時(shí)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(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直是個(gè)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(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)不但與原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，也與萬(wàn)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(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的冪級(jí)數(shù)形式；精細(xì)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(guó)際上很多大科學(xué)家都很熱衷于精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的研究：美國(guó)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(hào)，以表明我們對(duì)地球的掌握程度。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者沃爾夫?qū)づ堇簧紝?duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)都十分著迷，他臨終時(shí)住的病房號(hào)就是137，他還開(kāi)玩笑地說(shuō)：“我見(jiàn)到上帝的第一個(gè)問(wèn)題就要問(wèn)精細(xì)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(shuō)以來(lái)，精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的不變性也受到了質(zhì)疑。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們利用原子鐘、同位素比例、白矮星等實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的不變性。1999年，J.K.Webb團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)類星體吸收譜的測(cè)量和分析發(fā)現(xiàn)了精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時(shí)間和空間變化的證據(jù)。

    精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化將導(dǎo)致現(xiàn)有物理規(guī)律隨時(shí)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(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的可變性的研究對(duì)于深刻理解自然規(guī)律和揭示新物理有著深遠(yuǎn)的影響。