基本常数会随着空间和时间变化吗？物理学家的目标是α值

物理定律在宇宙中无处不在，如果我们不了解基本规则，就很难解开宇宙不同部分的复杂性。这些关系通常表示为方程式，但它们也受这些方程式中的常数控制。有理论预测，支配我们宇宙的基本常数可能不是恒定的，而是随着时间和空间而变化。要测量基本常数的变化，我们首先需要选择正确的常数。

常数的选择

让我们先试试光速，它今天在真空中的值为299792458m/s。但它总是这个值吗？有人提出，光速的变化可能是暴胀理论的替代方案，甚至是宇宙明显膨胀的替代方案。但这可能无法进行测试，因为我们对用于定义光速的单位的定义是任意的，并且它们本身取决于该速度。米的官方定义是光在299792458分之一秒内传播的距离，秒是根据铯-133原子发出的特定频率的光定义的。如果光速发生变化，我们用来测量那速度变化的尺子也会相应改变。

光速定义了空间和时间之间的关系，那么谈论它独立于其潜在维度的变化是否有意义？事实上，解释任何具有单位的物理常数的变化是不可能的。例如，牛顿引力常数或电子质量都有人类的任意定义。为了确信我们已经看到了基本常数的变化，我们需要研究一个无量纲常数，它没有单位，因此不依赖于我们对这些单位的定义。

也许最有希望的例子是精细结构常数，它是对电磁力强度的无量纲描述。在量子场论的语言中，它是电磁场和带电场（如电子场）之间的耦合强度。我们使用希腊字母α来表示精细结构常数，其数值是物理学中最精确测量的量之一，精确到 40 亿分之一，它的近似值大约是1/137。没有人知道α为何是这个值，但如果你改变它的值，我们的宇宙看起来会非常不同。这个基本参数的第一次测量是通过它对原子能级精细结构的影响，这也是该常数得名的地方。这种效应也是我们测试α是否在变化的方式，所以让我们研究一下。

精细结构常数的测量

电子能级或原子中的轨道是量子化的，这意味着只允许存在某些特定的能级。当电子在能级之间移动时，它们发射或吸收光子，其能量等于电子损失或获得的能量。当我们观察气体的光谱时，我们会在特定波长的波峰中看到这种效应。我们将这些特征称为谱线，如果您查看它们的精细结构，您会发现一些谱线被分成两部分，对应于非常细微的不同能量。这种分裂是由于每个原子能级可以容纳两个电子并且这些电子具有指向相反方向的自旋。

量子自旋为电子提供了我们所说的磁矩。即使没有实际旋转，它们也有磁场，就像一个小条形磁铁。这些电子也在围绕原子核运行，并且这种运动也会产生自己的磁场。由电子自旋及其轨道运动产生的磁场实际上在称为自旋-轨道耦合的效应中相互作用。这种相互作用有两种稳定的配置：小条形磁铁可以与轨道场对齐或与之相反。与场对齐是更稳定的状态，它的能量比相反的对齐略低。因此，当电子在轨道之间跳跃时，它们吸收或发射的能量取决于它们的自旋排列，结果是这些跃迁产生的光谱线波长的差异非常小。

但是这一切与物理定律的变化有什么关系呢？这个波长分裂的大小很大程度上取决于精细结构常数。为了测量α的变化，我们只需要寻找线分裂幅度的变化。这种测量的关键是类星体，当类星体的光在到达我们的途中穿过巨大的气体云时，这些云中的元素会吸收光子以产生光谱线。通过观察许多类星体，我们可以发现存在于宇宙过去不同时期的吸收云，这些吸收线中的精细结构分裂可以用来跟踪宇宙时间中α的变化。

结果

澳大利亚的一组研究人员正是这样做的。他们使用夏威夷的凯克望远镜，沿143个类星体的视线研究云中的铁和镁吸收线。他们的结果表明，α在过去稍微小了大约100000分之一。在他们2004年的论文中，他们声称5西格玛显著性表明检测到α的变化。

现在这一切都具有高度暗示性，但这些结果绝不会被广泛接受。最近一些重新分析数据的尝试表明只有2 到3个西格玛显著性，这与α没有变化是一致的。这里的挑战是测量非常非常困难。来自这些极其遥远的类星体和气体云的光子发生了巨大的红移。这种红移需要仔细考虑，还有许多其他潜在的系统误差可能伪装成精细结构常数的变化。这些潜在的陷阱提醒我们，在结果被接受之前，重要的是要让多个团队重复科学实验。

目前，在进行更多更好的实验之前，所有这一切仍然是一种诱人的可能性。