自然常数的超大质量透镜

T2020年诺贝尔物理学奖授予了三位研究人员，他们证实了爱因斯坦的广义相对论可以预测黑洞，并证实了我们银河系的中心有一个超大质量黑洞，在一个相对较小的空间里容纳了相当于400万个太阳的黑洞。除了扩大我们对黑洞的理解，超大质量黑洞周围的强引力场是一个在极端条件下研究自然的实验室。研究人员，包括一位新诺贝尔奖得主，安德里亚Ghez在UCLA，测量了强烈的重力如何改变细结构常数，其自然的常数之一，定义了物理宇宙，在这种情况下，生活中的生活。这项研究扩展了了解常量以及它们是否在空间和时间内各不相同的努力。希望是找到解决基本粒子标准模型和当前宇宙中的问题的线索。

除了Ghez，其他诺贝尔·洛杉矶荣誉在2020年荣誉，是剑桥大学的罗杰潘，他深化了对黑洞的理论理解;和Reinhard Genzel，Max Planck德国古典的外星物理学研究所。Ghez和Genzel进行了平行但是单独的观察和分析，导致每个人推测我们的银河系超出黑洞的存在。在距离27,000光年，获得良好的数据需要巨大的望远镜。Ghez在夏威夷的Mauna Kea上与Keck天文台合作，Genzel在智利中使用了这么大的望远镜。每个研究人员发现他们观察到的恒星的运动从银河系中心的巨大质量产生。他们获得了相同的价值，400万倍的太阳质量，在一个地区只有我们的太阳系 - 定制黑洞的明确证据。

盖兹在凯克的研究使她成为合著者一篇论文中今年发布，其中巴黎天文台和13名国际同事的奥雷利恩·埃斯为我们的银河超大自主黑洞附近的细结构恒定提出了成果。值得注意的是，Ghez的诺贝尔奖获奖结果支持这项研究，使当今的理论和天文技术与约翰内斯·佩德勒和艾萨克·牛顿的想法相结合，以检查超级分类黑洞附近的星星的运动。这是牛顿洞察力关于科学在1675年写道的洞察力的识别的另一个例子，“如果我进一步看过它就是站在巨人的肩膀上。”

黑洞附近强引力中的常数可能是修改标准模型的线索。

德国天文学家徒步旅程是在1609年介绍行星运动的法律时改变了科学的一个这样的巨人。他是第一个表明行星不会在神圣的完美圈子中绕太阳绕太阳履行。轨道是椭圆的焦点的椭圆椭圆形，两个点之一对称地偏移的中心，定义了如何构建椭圆形。开普勒还发现行星轨道的大小与行星完成电路之间的数学关系。

在1687年，牛顿给予了开普勒的法律更深入，更加连贯的物理基础。基于体内的相互吸引力，牛顿的着心定律表明，围绕质量围绕质量的闭孔轨道上的天体对象遵循取决于该质量的椭圆路径。今天的结果是在介绍的天文学中教授的，是Ghez如何发现超级分类黑洞的质量。她多年的仔细观察精确地定义了银河系中心的星星的椭圆路;然后，她使用牛顿的理论来计算中心的质量（替代牛顿定律的一般相对论，预测黑洞，但牛顿的方法足够准确，在超大分类的黑洞周围的恒星轨道上足够准确。这些轨道的知识对于测量超大的重力恒定的细结构恒定是至关重要的。这种常数如何依赖于重力可以是修改标准模型或通用相对性的线索，以处理暗物质和黑暗能量，当代物理的两个大谜题。

T他的特殊检验符合对自然基本常数的更大的、长期的检验，每个基本常数都告诉我们一些关于我们最深层理论的范围或规模的东西。与其他常数一起，精细结构常数(用希腊字母α表示)出现在标准模型中，即基本粒子的量子场论。α的数值定义了光子和带电粒子通过电磁力相互作用的强度。电磁力与引力、强核力和弱核力一起控制宇宙。在它的影响中，电磁决定了质子之间的排斥程度和电子在原子中的行为。如果α的值与我们所知道的有很大的不同，这将影响恒星内部的核聚变是否产生碳元素，或者原子是否能形成稳定的复杂分子。两者都是生命所必需的，这是α重要的另一个原因。

其他常量代表其他主要的物理理论:c，真空的光速，相对论至关重要;h，由马克斯·普朗克(Max Planck)推导出的常数(现在被称为“h-bar”，或H＝h/ 2.π），设定量子效应的微小尺寸;和G牛顿理论和广义相对论中的引力常数，决定了天体之间的相互作用。1899年，普朗克仅仅用这三种方法来定义一个基于自然属性而不是任何人为因素的通用测量系统。他写道，这个系统“对于所有时代和所有文明，无论是外星文明还是非人类文明”都是一样的。

它提出了许多多层次的概念，我们存在的一个是具有获胜价值的概念。

普朗克推导出长度、时间和质量的自然单位c，H， 和G：l_P= 1.6 x 10^-35米，T_P= 5.4 x 10^-44秒,米_P= 2.2 x 10^-8公斤。因为太小而不实用，它们具有概念上的分量。在当今的宇宙中，基本粒子之间的引力相互作用太弱，无法影响它们的量子行为。但是把这些物体放在一个微小的普朗克长度l_P分开，小于基本颗粒的直径，它们的重力相互作用足以足以媲美竞争对手量子效应。这定义了“普朗克时代”10^-44大爆炸后几秒钟，当引力和量子效应具有相似的强度并且需要一个组合的量子重力理论而不是我们今天的两个单独的理论。

然而，对一些物理学家来说，c，H， 和G它们不是真正的基础，因为它们依赖于度量单位。例如，考虑一下cis 299,792 km/sec in metric units but 186,282 miles/sec in English units, This shows that physical units are cultural constructs rather than inherent in nature (in 1999, NASA’s Mars Climate Orbiter fatally crashed because two scientific teams forgot to check which measurement system the other had used). Constants that are pure numbers, however, would translate perfectly between cultures and even between us and aliens with unimaginably different units of measurement.

精细结构恒定α脱颖而出，呈现出这种有利的纯度。在1916年，在氢原子中的单电子中发射或被吸收的光的波长的计算出现在量子水平之间。Niels Bohr的早期量子理论预测了主要波长，但光谱显示出附加功能。为了解释这些，德国理论家Arnold Sommerfeld向氢原子的量子理论附加了相对性。他的计算取决于他称之为细结构的数量。这包括H，c以及电子上的电荷e，另一种常数自然;和介质ε.₀表示真空的电性能。值得注意的是，这个奇数收集中的物理单元抵消，只留下纯粹的0.0072973525693。

索默菲尔德只是把α作为一个参数，但它在20世纪20年代末名声大噪，当时它在法国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)关于相对论量子力学的高级著作中再次出现，然后在英国天文学家阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)希望成为的《万有理论》(Theory of Everything)中再次出现。他计划将量子理论和相对论结合起来，推导出宇宙的性质，如基本粒子的数量，以及其中的常数α。

爱丁顿方法的一个转折是，他考虑的是1/α而不是α，因为他的分析表明，它必须是一个整数，同时也是一个纯数。这与当时的测量结果一致，当时的测量结果是1/α = 137.1，非常接近137。爱丁顿的计算结果是136，接近到足以引起人们的兴趣。然而，进一步的测量证实1/α = 137.036。爱丁顿试图证明他的不同结果是没有说服力的，由于这个和其他原因，他的理论没有幸存下来。

但是α和“137”仍然联系在一起，这就是为什么理查德FEYNMAN称为137个“魔术号码”。他的意思与数字无关。相反，我们知道如何测量α的值，而不是如何从我们所知道的任何理论中得出它。对于其他基本常数，这也是如此，包括纯粹的数量，例如质子和电子质量的比例，并且是标准模型中的缺点。然而，α的值在量子电动力学中是至关重要的，电磁学的量子理论。Feynman完全明白了这一点，因为他赢得了1965年诺贝尔奖，其中另外两名理论为发展量子电动力学。

所以α被接受为自然的重要常数之一。现在，随着这些数量的价值准确认识，物理学家问，他们真的是常数吗？1937年，关于宇宙中力量的考虑LED DIRAC推测α和G随着宇宙年龄的时间而变化。另一个暗示甚至更老的猜测是想知道常量是否因宇宙而异。在1543年，当波兰天文学家尼古拉·哥奈列克斯将太阳放在宇宙中心的地球上，他从其特殊的宇宙地点移动了人性。这意味着宇宙到处都是相同的，但这只是一个假设。

V不断变化的“常数”将会改变标准模型和基于标准模型和广义相对论的宇宙学，而广义相对论和其他问题都无法解释暗物质和暗能量。再加上α在宇宙是“微调”以支持生命这一概念中的作用，以及在众多多元宇宙中，我们存在的那个多元宇宙是具有α值的。所有这些都推动了对自然常数的研究，其中大部分集中在α上。

地球测量确认α固定在每十十亿的零件内。一个更具挑战性的项目是在天文距离上测量它。这也在早期宇宙时期决定α，因为数十亿光年的光线花了多年来从年轻的宇宙中到达我们。自1999年以来，John Webb在澳大利亚新南威尔士大学，与同事们一直通过从遥远的半乳清核心收集光的光线来进行此类测量，其中黑洞的灰尘呈现出来的灰尘。这种光穿过星际气体云，并在云中原子的波长被吸收。分析波长在远处位置给出α，就像氢波长在地球上首先定义α一样。

结果暗示在哥白尼视图中，在非常大的尺度上，宇宙到处都是相同的。

WebB的早期结果表明，在过去的60亿年或以上，α增加了0.0006％，并且它依赖于地球的距离。2020年出版的结果显示了现在和130亿年前的α之间的较小变化，当宇宙仅为8亿岁，这位作者将其解释为“符合时间变化”。累积结果还表明α沿太空中不同方向变化。总的来说，实验误差太大而无法激发α的任何单一测量变化的信心完全正确，但变化肯定非常小。

现在α也被测量到在强引力场中，理论上它可以改变。我们所知道的最强引力来自黑洞，在那里航天器必须达到无法达到的光速才能逃脱。但白矮星也有强大的引力，这是一种将其外层排出，留下一个大质量但只有行星大小的核心的恒星。2013年，新南威尔士大学(University of New South Wales)的J.C. Berengut和韦伯等人分析了一颗白矮星的光谱数据，获得了α相对于地球的0.004%的变化。

然而，在今年Hees和包括Ghez在内的合著者的工作之前，还没有人在超大质量黑洞附近测量到α。凯克的研究结果帮助她选择了五颗恒星，它们的轨道使它们靠近超大质量黑洞，以最大限度地发挥其引力效应，而且由于周围的恒星大气，这五颗恒星的光谱显示出强烈的吸收特征。这有助于从每个恒星的吸收波长中得出α。最终的合成结果再次显示，α的变化很小，与地球相比只有0.001%或更少。

虽然α的测量变化很小，但在超大的黑洞引力场不同地方的5颗恒星的结果导致了新的结果;他们允许对理论预测的早期测试，其变化α与重力电位的变化成比例，存储在重力场中的能量。结果证实，两种数量是比例的，但数据中的不确定性仅支持比例常数的粗略估计。更可靠的价值可以在几种对待暗物质和黑暗能量的新理论之间进行选择。

目前，在时间和空间α的α中的测量变化太小或不确定，以指导物理学家对新理论甚至燃料猜测，例如宇宙中的寿命的前景或在黑洞附近。在哥白尼视图中的变化暗示中的少量暗示在非常大的尺度上，宇宙在无处不在地看起来都是如此，尽管更多的测量可以确认有可能对宇宙中的微小差异有意义。

在动态宇宙中，这可能是一种舒适性，这种特定的宇宙数保持稳定。但是，在我们的银河系上的黑洞附近看到α的更大变化可能是新物理学的起点。随着电子邮件采访中的赫斯所描述的，他的目标现在是深入了解黑洞的引力领域。他计划在2021年进行新的优化测量，“观察更接近黑洞的星星，因此经历了更强大的引力潜力......但是利用当前的技术，获得超密的恒星的良好光谱观察并不容易到黑洞。“尽管如此，他认为他可以减少10倍的测量误差。

盖兹所进行的世界级诺贝尔奖工作依赖于观测和光谱技术的巨大改进。很有可能，在这个成功项目的基础上进一步改进，将加强对超大质量黑洞的研究，这是一个独特的领域，可以研究α中那些难以捉摸的变化，以及它们对我们理解宇宙的意义。

Sidney Perkowitz是埃默里大学Charles Howard Candler物理学名誉教授。他最近的书是物理：一个非常简短的介绍， 和真正的科学家不穿关系。他在工作科学的草图。

引线图像：该图示描绘了银河系中核心的超级分类黑洞的疯狂活动，称为射手座a *，或sgr a *。信用：esa-c。奥纳克州