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精细结构常数变化与宇宙成分关联研究

已有 859 次阅读 2021-6-23 15:43 |系统分类:科研笔记

       精细结构常数被发现以来一直是个谜,许多优秀的科学家都把它贴在墙上,并为它大伤脑筋。 


       精细结构常数不但与原子结构密切相关,也与万有引力常数之间存在着某种神秘的联系;原子钟的振荡频率可以表示为精细结构常数的幂级数形式;精细结构常数的倒数近似为137,正好与宇宙的年龄接近…… 


       国际上很多大科学家都很热衷于精细结构常数的研究:美国物理学家劳伦斯认为,数字137将是地球人发给外星人的重要信号,以表明我们对地球的掌握程度。诺贝尔奖获得者沃尔夫冈·泡利一生都对精细结构常数都十分着迷,他临终时住的病房号就是137,他还开玩笑地说:“我见到上帝的第一个问题就要问精细结构常数的真正含义是什么?” 


       自从狄拉克1937年发现微观和宇观尺度之间的联系并提出大数假说以来,精细结构常数的不变性也受到了质疑。近一个世纪以来,人们利用原子钟、同位素比例、白矮星等实验来检验精细结构常数的不变性。1999年,J.K.Webb团队通过对类星体吸收谱的测量和分析发现了精细结构常数随时间和空间变化的证据。 


       2020年9月以来,我指导我的一个博士后研究生李歌星同学开始研究精细结构常数变化与宇宙成分演化之间的内在关联。我们分析了许多可能引起精细结构常数变化的因素,假设精细结构常数的变化是由宇宙的膨胀引起的,再利用描述宇宙演化的弗里德曼方程将两者联系起来。由于描述均匀、各向同性的平直宇宙的弗里德曼方程中的两个自由参数有多种组合方式,要发现其背后的演化关系非常困难。 


       经过夜以继日的奋战,我们发现了通过量纲分析可以约束精细结构常数变化率的可能形式,并通过拟合观测数据导出精细结构常数相对变化量与宇宙膨胀率之间的关系,再基于冷暗物质模型得到了精细结构常数的相对变化量与当前宇宙中暗能量所占比重的关系。基于我们的模型估算,精细结构常数变化的实验数据与当前宇宙中暗能量所占的比重 70%左右相符,并可以根据标准宇宙学模型估计当前的宇宙年龄约为136亿年。这些结果与普朗克合作组2018年公布的结果一致。

fig1.png

       研究结果显示,精细结构常数随宇宙的演化关系是先逐渐增大,后趋于不变。宇宙早期的精细结构常数比当前值约小十万分之一,该结果与大爆炸核合成和宇宙微波背景辐射的研究给出的上限是符合的。对于当前宇宙,模型估计精细结构常数正以6.0×10-16年的速度在逐渐增大,也符合原子钟实验的测量结果。这些实验结果都有力地支持了该模型建立的关系。 


       根据模型预测,遥远的未来宇宙将几乎完全由暗能量主导,宇宙的膨胀率几乎不再发生变化,精细结构常数也将逐渐停止变化。

fig2.jpg

精细结构常数的变化量随宇宙时间的变化,H0t表示哈勃常数与宇宙年龄的乘积。


       该研究结果于3月12日发表在影响因子高达4.833的美国物理学会著名期刊Physical Review D的第103卷第6期上,期刊评审专家认为这是一篇有意思的研究论文,得到了一些令人关注的结果。论文发表后,我们收到了国际著名天体物理学家M. Joseph的邀请,希望我们能参加2022年在日本东京举办的引力、天体物理学和宇宙学全球峰会the Global Summit on Gravitaion, Astrophysics and Cosmology(GSGAC-2022),并做口头报告。



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