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2024-04-07 00:14:57
私たちは通常、物理定数は固定されたものだと考えています。 だからこそ、彼らはそう呼ばれています。 私たちが時空のどこにいても、それらは常に同じでなければなりません。 それらは、宇宙全体がそれに従って機能する物理法則から生じます。 しかし、特定の意見によると、少なくとも一部の定数は完全に不変ではない…
これらには、微細構造定数としても知られるものが含まれます。 ゾンマーフェルドバ 通常はギリシャ文字のアルファで表されます。 これは電磁相互作用の強さを表し、無次元の量です。これは、素電荷、つまり可能な最小の電荷、プランク定数、真空中の光の速度、真空の誘電率から導出されます。電界へ。
まだ説明はありません
原子および亜原子スケールでの物体間の電気力学的相互作用を扱う量子電気力学、別名 QED (英語の「quantum electricdynamics」から) では、微細構造定数が結合定数の役割を果たします。 これは、電磁放射の粒子、つまり光子が、電子、ミューオン、タウオンなどの荷電粒子とどのように相互作用するかを決定します。
ゾンマーフェルト定数について注目すべき点は、それについて知られてから 100 年以上経ったにもかかわらず、科学者がそれを理論的に説明できないことです。 それを実験的に測定する必要があり、地球上では非常に高い精度で測定されています。 現在、1/137.035999084 の分数で表される値が受け入れられていますが、多少の不確実性はあります。
地球上でも深宇宙でも
この定数は地球上だけでなく、天体物理学的観測のおかげで深宇宙でも測定できます。 それは、遠方の銀河、特にクエーサーの放射を通して研究することができます。 そして、いくつかのケースで説明されている研究は、それがそれほど不変ではない可能性があることを示しています。
光子が原子に衝突すると、そのエネルギーが原子の電子をより高いエネルギーレベルに移動させるのに必要なエネルギーと一致する場合にのみ吸収されます。 しかし、より高いエネルギー準位に移動する電子は不安定になります。 それらは跳ね返る傾向があり、最初に吸収された光子に対応する波長の光子を放出します。 微細構造定数は、電子がそれぞれの原子の核とどのように相互作用するかを決定します。 そして、それが変化した場合、原子が吸収する放射線の波長も変化するはずです。
それでもそれは変わります
1998年、天体物理学者が率いる専門家チームが ジョン・ウェッブ著 ニューサウスウェールズ大学の博士らは、さまざまな銀河のゾンマーフェルト定数に焦点を当て、その取り組みは驚くべき結果をもたらしました。 これは、その値が 120 ～ 60 億年前の期間ではわずかに高かったことを示しています。 この増加は、当時の宇宙の物理学に大きな影響を与えるほど大きくはありませんでした。 しかし、与えられた定数が科学者の注目を集めるには十分でした。 それ以来、研究者たちは他の星の島からの放射線を分析し、この問題を明らかにしようと努めてきました。
12年後、ウェッブらは約300個のクエーサーの吸収スペクトルの分析を含む新しい研究を発表した。 今回の結論は1998年よりも説得力があり、 彼らによると、微細構造定数の値は元の推定値よりもさらに大きく変化します。 また、記載されている量は宇宙のどこでもまったく同じではないようです。
故障確定？
もしゾンマーフェルト定数が実際に宇宙の異なる領域で異なる値を取るとしたら、それは物理学全体に劇的な影響を与えることになるでしょう。 ウェッブ氏の同僚の天文学者が言うように マイケル・マーフィー スウィンバーン工科大学 v メルボルン、 これは、水星の軌道の近日点が 6 年ごとに約 1 度回転するという以前の発見と同じです。 ニュートンの法則では説明できませんでしたが、アインシュタインの一般相対性理論がブレークスルーをもたらし、まったく新しい重力概念をもたらしました。。
「宇宙の無秩序」、つまり微細構造定数やその他の同様の物理定数が観測場所によって変化することの確認は、素粒子物理学の標準モデルなど、宇宙の仕組みに関する基本理論に疑問を投げかけることになるだろう。 マーフィー氏によると、そのような場合には、現在の理論とは大きく異なる可能性のある新しい理論を考え出す必要があるという。 科学者は、変化するゾンマーフェルト定数が、実際に何を探すべきかを示すガイドとして役立つと確信しています。
正確に測定する
言及された定数が現在の値と大幅に異なる場合、宇宙はおそらく大幅に異なって見えるでしょう。 私たちが知っているような生命は、おそらくまったく出現しなかったでしょう。 定数の値が大幅に低い場合、帯電した粒子が互いに与える影響は小さくなります。 分子を結合する共有結合はあまりうまく機能せず、低温になると分解されてしまいます。 分子がなければ、極めて重要な水を含め、ほとんど何も存在せず、必然的に大きな分子と結びつく生命も当然存在しません。
一方、微細構造定数の値が大きい場合、陽子は原子核が結合できなくなる程度に互いに反発します。 このような状況では、星の内部では核融合が起こり得ないため、地球生命の基盤となる炭素は形成されません。 ゾンマーフェルト定数が宇宙を機能させるのにちょうどいい値をとるのは幸運なことのようです。 しかし、その原因は誰にも分かりません。 もしその量が宇宙全体で異なるのであれば、生命がその価値が許す場所に出現したことは理にかなっています。
小さな見落とし
2011年と2012年のJames Webbらによる研究でも、微細構造定数が宇宙全体で異なる可能性があることが示唆された。 科学者たちは、ハワイのケック望遠鏡とチリの超大型望遠鏡システムでの観測に基づいています。 彼らの結果は、約100億年前の言及された量の値がわずかに異なることを再び示しました。
しかし、2013 年から 2015 年にかけて、マーフィーと他の専門家は、地上にある大型の光学望遠鏡からのクエーサー放射のスペクトルに関するいくつかの問題に遭遇しました。 研究者によると、放射線分析に使用される前述の望遠鏡の分光器は、宇宙の微細構造定数の値が変化しているかのような印象を与えるような形でクェーサーのスペクトルに影響を与えたという。 同時に、科学者らは、記載された見落としは、定数の変化を示した以前の結果のすべてを説明できるわけではないと付け加えた。
それ以来、専門家たちはクエーサー放射線の分析データがその変化を示しているかどうかについて議論してきた。 ウェッブ氏らは2017年にマーフィー氏のチームの結果に異議を唱え、宇宙におけるゾンマーフェルト定数の挙動のすべての解析に適用できるわけではないと主張した。 これに続いて、マーフィーと彼の共同研究者による研究が行われ、それによると、与えられた定数は非常に正確に不変であることがわかりました。
宇宙黎明期のクエーサー
ウェブ氏のグループによる2020年の論文を調べた 非常に遠いクエーサー J1120+0641、私たちが観察しているのは、わずか7億5,000万年前の宇宙です。 専門家らは、宇宙で観測された年齢が約10億年に達した3つのガス雲を使用した。 微細構造定数の適切な値を導き出すために、クエーサー放射線スペクトルの解析に遺伝的アルゴリズムを適用しました。これにより、一連の繰り返しステップで物理的に非現実的な解決策が除去され、同時に放射線干渉が考慮されました。他の情報源から。 したがって、研究者らは、ゾンマーフェルト定数は宇宙の歴史のほとんどを通じて同じままであるという結論に達しました。
同時に、研究チームによる以前の研究による事実上同一の組成の最近の測定結果が確認された。 微細構造定数は宇宙全体で非常に奇妙な方法で、つまり一方向にわずかに変化します。 それは、宇宙に科学者が双極子と呼ぶ軸があるような印象を与えます。 しかし、記載された結果でさえかなり控えめに受け入れられており、まだ推測の余地がたくさんあります。
ESPRESSO がソリューションを提供します
微細構造定数に関する議論は、非常に安定した正確な分光器を使用することで最終的に解決される可能性があります。 エスプレッソ または、2016年からチリの超大型望遠鏡システムに取り組んでいる、ロッキー系外惑星と安定分光観測のためのエシェル分光器。 マイケル・マーフィー これは、宇宙の特定の定数の研究における基本的な情報源を形成するクエーサーの放射スペクトルを処理するための完璧なツールです。 科学者自身も、最先端の分光器を扱うチームに所属しています。 どうやら、ESPRESSO は以前のバージョンのような問題に悩まされておらず、その出力はより信頼できるようです。
この装置は数年間にわたってデータを収集しており、近いうちに詳細な結果が得られるはずです。 マーフィー氏によれば、これは彼がこれまでに見た中で最高のデータだという。 ESPRESSO とその科学チームが何千もの測定を処理すると、ゾンマーフェルト定数についてより明確になるはずです。 しかし、結論が何であれ、前述の研究は宇宙の法則の理解に根本的に貢献するでしょう。
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