比较冷门的物理现象及原理（探究物理学最神秘的常数）

神秘的常数

在物理学中，有一个非常神秘而重要的基本常数，叫精细结构常数，它定义了自然界中的四种基本力之一——电磁力的强度。

精细结构常数是一个“纯粹”的、没有单位的无量纲常数，大约等于1/137。粒子物理学的标准模型并不能解释它的值，物理学家也不知道，精细结构常数的值是否因地而异。如果它的数值在不同的地方有所不同，那么它或许能帮助物理学家找到一个能统一所有基本力的“万有理论”。

现在，在一项刚刚发表于《科学》杂志上的研究中，一组研究人员通过研究一系列几乎与太阳一模一样的恒星，检验了精细结构常数在银河系的不同地方是否相同。

寻找突破

其实，在许多物理学家的心中，都在暗暗期待着出现什么新的东西，能打破我们对物理学的现有理解！他们在等待一个无法用现有理论解释的信号，期待那是通往新物理学的路标。

为了找寻这样的路标，物理学家们会在地下深处的金矿中，等待暗物质粒子与某种特殊的晶体发生碰撞；他们也可能小心谨慎地使用世界上的那些最好的原子钟，通过经年累月地计时，试图发现它们所显示的时间是否略有不同；再或者，他们会在大型强子对撞机等粒子加速器的环形轨道内，以接近光速的速度撞击粒子……

然而问题是，在寻找新物理学的路上，物理学家们很难知道具体的前进方向，目前的理论并不能对此提供太多的指导。地球上的实验室当然可以是物理学家们寻找这些线索的场所，那是最容易进行全面而精确的搜索的地方。但这样的搜索有时无异于“刻舟求剑”，物理学家们迷失在雕刻上了标记的区域，而剑可能早就丢失在其他角落。

把目光瞄准恒星

在这项新的研究中，研究团队把目光投向了地球之外——甚至是太阳系之外，他们想从那些几乎与太阳一模一样的恒星身上寻找突破。

我们知道，恒星大气中的原子会吸收一些从其核心向外挣脱的光。只有某些特定颜色会被吸收，在恒星光谱中留下暗线。这些被吸收的颜色与精细结构常数有关，所以通过精确地测量暗线，就可以测量精细结构常数。

太阳的光谱：太阳光被分散成不同的行，每一行只覆盖一小部分颜色，以显示来自太阳大气中原子的许多暗吸收线。（图 / N.A. Sharp / KPNO / NOIRLab / NSO / NSF / AURA, CC BY）

可问题是，恒星的大气在移动，它们会沸腾、旋转、环绕、喷发，这些现象都会影响暗线，从而破坏将从恒星测得的暗线与从地球上实验室中测得的相同暗线进行比较的意义。因此，通过这种方式并不能使物理学家很好地分析精细结构常数。

在恒星的湍流大气中翻滚着温度高低不同的气体，使天文学家很难将恒星的吸收线与在实验室中看到的吸收线进行比较。（图 / NSO / AURA / NSF, CC BY）

如此看来，恒星似乎并不是检验电磁学的良好场所。但是，如果是两颗非常相似的恒星呢？比如它们就像彼此的“双生子”一样，拥有几乎一致的大气性质……

这正是研究人员在这项新研究中所做的：他们没有将恒星与地球上的实验室进行比较，而是将太阳与太阳的一些“双生子”进行比较。

填补空白

研究团队精确测量了太阳与16颗“太阳双生子”的吸收线。他们使用位于智利的3.6米欧洲南方天文台（ESO）的望远镜，观测了这些恒星发出的光谱。它将收集的光送到光谱仪HARPS中，这种仪器通过将光线分成不同的颜色，揭示出暗线的具体模式。

位于智利的ESO3.6米望远镜在大部分时间里都在观察类太阳恒星，它使用极其精确的光谱仪HARPS来寻找行星。（图 / Iztok Bončina / ESO, CC BY）

HARPS对大量类太阳恒星进行过观测，这使得它很好地完成了为研究人员提供所需数据的任务。从这些精细的光谱中，研究人员对恒星间的精细结构常数变化设定了亿分之五的上限，证明了在这17个恒星中，精细结构常数都是相同的，排除了精细结构常数在银河系的局部区域内存在实质性变化的可能。

这是迄今为止对精细结构常数进行的最精确的天文测试，填补了实验室测量和恒星的限制之间的空白。

接下来......

在这项研究中，被观测的恒星都离我们相对较近，大约只有160光年。但接下来，研究人员或许会将目光瞄向银河系的更深处。

据介绍，近期他们在更远的地方发现了其他的“太阳双生子”，那些恒星大约位于距银河系中心一半的位置。在这个区域，暗物质的浓度应该要高得多。暗物质是一种难以捉摸的未知物质，天体物理学家认为，暗物质潜伏在整个星系甚至更远的地方。

就像精细结构常数一样，暗物质也隐藏着许多关键奥秘。一些理论物理学家认为，也许内银河系正是能将这两个未知问题联系起来的关键所在。因此，研究人员期待，通过使用最大的光学望远镜来观测这些更遥远的太阳双生子，或许就能找到解开宇宙奥秘的钥匙。

参考来源：

https://theconversation.com/one-of-the-greatest-damn-mysteries-of-physics-we-studied-distant-suns-in-the-most-precise-astronomical-test-of-electromagnetism-yet-194062

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi9232

封面图&首图：Iztok Bončina / ESO, CC BY