怎么看待物理学家发现精细结构常数在变化，宇宙或不具有“各向同性”？
长期以来，我们看待宇宙的方式，就像一位对所有方向都一视同仁的观察者。无论我们看向哪个方向，宇宙的物理定律都应该遵循相同的规则，这便是“宇宙学原理”的核心思想——宇宙的各向同性。然而，近年来一些物理学家对这一基本假设提出了挑战，他们通过观测遥远的星系发出的光，发现了一个令人不安的可能性：精细结构常数（finestructure constant）似乎在不同的方向上存在微小的差异，这意味着宇宙可能并非完美地各向同性，它可能拥有某种“方向感”。
这个发现，如果得到进一步证实，其意义将是极其深远的，它会动摇我们对宇宙基本结构的理解，甚至可能为我们打开探索全新物理学的窗口。
精细结构常数：宇宙的“指纹”
首先，让我们来了解一下这个“精细结构常数”，它到底是什么？用一个形象的比喻来说，精细结构常数（通常用希腊字母 $alpha$ 表示）就像是宇宙的“指纹”，它是一个无量纲的物理常数，大约等于 1/137。这个数字看似简单，却在描述电磁力如何作用于基本粒子（如电子和质子）方面起着至关重要的作用。
它出现在量子电动力学（QED）的许多基本方程中，比如描述电子绕原子核运动的概率。可以说，$alpha$ 的数值决定了原子光谱的精细结构，也就是为什么原子发射或吸收的光谱线会有如此精细的划分。如果 $alpha$ 的值发生变化，那么原子的能量能级就会改变，这意味着化学反应的进程、恒星的演化，甚至生命的构成，都可能与 $alpha$ 的数值息息相关。 想象一下，如果 $alpha$ 稍有不同，我们今天所知的化学元素可能就无法形成，恒星的燃烧效率也会改变，地球上的生命或许根本无从谈起。
观测的挑战：追溯宇宙的过去
要检测精细结构常数是否变化，天文学家们不得不仰望星空，寻找来自宇宙深处的“信使”——光。由于光速是有限的，我们观测到的遥远星系的光，其实是它们在亿万年前发出的。通过分析这些光，我们可以了解宇宙在不同时期的状态，以及其中基本常数的值。
具体来说，天文学家们通常会观测类星体（quasars）发出的光。类星体是宇宙中最明亮的天体之一，它们位于遥远星系的中心，通常由超大质量黑洞驱动。当类星体发出的光穿过星际介质，尤其是经过一些星系之间的气体云时，气体中的原子会吸收特定波长的光，形成吸收光谱。这些吸收光谱的特征，与精细结构常数 $alpha$ 的精确数值有关。
通过分析来自不同方向、不同红移（即距离我们多远）的类星体吸收光谱，科学家们试图找出 $alpha$ 的数值是否随着时间和空间而改变。
那些“不同寻常”的信号
过去几十年，一些研究团队确实报告了与 $alpha$ 恒定性相悖的观测结果。例如：
2010年澳大利亚新南威尔士大学的约翰·克利夫顿（John K. Webb）教授及其团队，通过分析位于南半球天空的类星体发出的光，发现了 $alpha$ 在不同方向上可能存在微小的差异。他们发现在某些方向上，$alpha$ 的值似乎比地球上的值略大，而在另一些方向上则略小。
后续的研究，包括来自欧洲空间局（ESA）普朗克卫星（Planck satellite）的数据分析，虽然在某些方面支持了这种变化的可能性，但其他一些分析则未能明确证实。
这些结果就像是宇宙发出的窃窃私语，暗示着我们赖以理解宇宙的基石可能并不如我们想象的那样牢固。
为何说宇宙可能“不各向同性”？
如果精细结构常数真的在不同方向上有所不同，那么它就直接挑战了宇宙学原理中的“各向同性”这一核心假设。
各向同性意味着： 无论你身处宇宙的哪个位置，向哪个方向看，宇宙的平均性质（例如物质密度、膨胀速率、基本物理常数）都应该相同。就像一张平坦的桌面，无论你从哪个角度看，它都是一样的。
$alpha$ 的变化意味着： 如果 $alpha$ 在不同方向上不一样，那就好比这张桌面并非完全平坦，它可能带有微妙的纹理或坡度。换句话说，宇宙可能存在一个“首选方向”，或者说，某些方向上的物理定律与另一些方向上的有所不同。
这不仅仅是 $alpha$ 本身数值的小幅变动，它更深层的含义是，驱动这种变化的某种机制或者某种新的物理场，可能在宇宙中具有方向性。 想象一下，如果有一个看不见的“风”在宇宙中吹拂，它可能在某些区域对 $alpha$ 的数值产生影响，而这些影响会随着风的方向而变化。
潜在的解释和挑战
如果 $alpha$ 的变化被确凿无疑地证实，物理学家们将面临巨大的挑战，但也可能因此打开新的理论大门。目前，有一些理论框架可以尝试解释这种现象：
1. 标量场（Scalar Fields）的理论： 一些超弦理论（Superstring Theory）或宇宙学模型中，存在着各种“标量场”，它们可能贯穿整个宇宙。如果这些标量场与精细结构常数耦合（即相互影响），并且这些场的值在宇宙中并非处处相同，或者具有方向性，那么 $alpha$ 的值自然也会随之变化。
2. 宇宙大尺度结构的张力（Cosmic LargeScale Anisotropy）： 另一种可能性是，宇宙并非是完美的各向同性，而是在非常大的尺度上存在着某种“方向性”的偏差。这可能与宇宙早期的某些不均匀性有关，或者与某种我们尚不了解的宇宙结构有关。
3. 新的基本相互作用： 也许我们现有的基本粒子模型（标准模型）并不完整，存在着某种我们尚未发现的新的基本相互作用，而这种相互作用恰好会影响 $alpha$ 的值，并且具有方向性。
然而，这项研究也面临着巨大的挑战：
观测数据的精度和解释： 类星体吸收光谱的分析非常复杂，需要精确地扣除各种干扰因素，如星际尘埃、气体本身的性质等。数据的微小误差或模型的不确定性，都可能导致对 $alpha$ 值变化的误判。
统计显著性： 尽管有一些“异常”的信号，但这些信号的统计显著性还需要进一步加强。很多时候，科学的发现需要大量独立的研究来相互印证。
理论的预测能力： 即使 $alpha$ 的变化被证实，如何将其纳入现有理论框架，或者构建全新的理论来解释它，是摆在物理学家面前的巨大难题。
影响与展望
如果精细结构常数在不同方向上确实存在差异，那么：
宇宙学模型需要修正： 我们必须重新审视并可能修正我们对宇宙学原理的理解，特别是对各向同性的假设。这意味着我们对宇宙的整体结构、历史演化乃至未来命运的认识都需要调整。
物理学的基础需要重塑： 许多我们习以为常的物理定律，其普适性将受到质疑。这可能意味着新的粒子、新的相互作用，甚至是全新的理论物理学分支的出现。
探索“宇宙真实的样子”： 这将是我们探索宇宙真实样子的一大步。宇宙可能比我们想象的更复杂、更奇妙，它也许并非一张均匀的画布，而是带有某种看不见的“纹路”或“纹理”，等待我们去揭示。
目前，关于精细结构常数是否变化的争论仍在继续。天文学家们正在利用更先进的望远镜和更精细的分析技术，试图收集更确凿的证据。普朗克卫星的后续数据分析，以及未来像詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）这样的观测设备，都可能为我们带来更清晰的答案。
这项研究犹如在平静的科学湖面上投下了一颗小石子，激起了阵阵涟漪。它提醒我们，在探索宇宙的宏伟征程中，我们永远不能停止质疑，永远要对那些看似微小的“异常”信号保持警惕。因为，正是这些“异常”，或许才隐藏着通往真正理解宇宙最深层奥秘的钥匙。
网友意见
这一发现对于理论物理意义非凡：可能观测到了现有理论模型无法描述的现象。
Webb团队通过对于类星体的观测给出结论：宇宙各向不同性
这里的各向不同性，不是我们通常所说的天文观测中发现的物质能量分布以及微波背景辐射的各方向不同。而是指基本物理定律的各向不同性，在不同的方向上精细结构常数具有不同的数值。
精细结构常数 包含三个非常基础物理学常数，分别是电子的电荷量 ，光速 ，和普朗克常量 。这三个量，在已有的物理定律中认为在任何参考系在任何物理背景下都是一个标量常数，所以精细结构常数也是一个标量常数，标量就意味着各向同性。
通过测量氢原子的能级分裂，可以给出精细结构的具体数值，
它的数值在地球上很多地方都给出很精确的测量，都在误差范围内是一样的。简而言之，在地球上我们到目前为止还没发现精细结构常数是不对称的。
但是天文观测上就实锤发现了精细结构常数也是可以各个方向不一样的：从Webb这篇文章的原文中给出的结果，精细结构常数具有偶极分布这个结论偏离零假设有3.9 。
偏离零假设这是一个统计学的方法，先假设一个反向的结果，如果不出现“意外”，那么就证明零假设是对的。比如说我是一个每天不摸鱼的人，然后10次抽样检查发现9次我都在摸鱼，那么就说明“零假设”是错的，从而得到结论，我是一个经常摸鱼的人。
一般情况下我们说大于3 就是所谓“零结果”很不可靠的情况。所以这里基本上是可以实锤确实观测到了各向不同性。
观测方法也是测谱线，只不过是测量130亿光年外的类星体的观测谱线：
下图是文章中的Fig3，其中灰色虚线代表 ，而灰点是Webb团队观测给出的结果，前面彩色的点是其他观测的结果，黑点是综合分析的结果。
这篇文章中测量的4个数据点和之前文章综合起来构成一个323个测点的数据集，图中可以看出红移量大的测点（也就是距离地球更远的点，或者是更加古老的点）偏离地球上测到的精细结构常数的偏移量也更大，综合所有这些测点进行分析，得到的结论是精细结构常数的测量值存在偶极分布（偶极的相对幅度是 ），也就是说，精细结构常数在宇宙中的分布是不均匀的。
我非常期待有更多的这样的天文观测结果，这样理论物理学家就有的忙了【盛宴尚未结束】
想想精细结构常数 要真是一个张量那该是一件多有趣的事情，引入精细结构非对称张量A
，当 的时候退化回我们现在的样子。
非对角元上的元素的表达式将会是什么样子的，有什么更加高级的物理模型能描述这个不对称，我们离大一统理论（GUT）又远了一步23333333
【评论区引发的思考：】
精细结构常数如果真的非对称，那么它的非对称性形式（也就是矩阵A里的非对角元）是否随时间变化？
物理大厦没有必要崩塌，有可能我们现在用的常数标量 的是一种近似，其实是个张量，但是是个1张量，在1张量下我们发展出很多漂亮的理论，但是在巨大尺度上它的非对角元有微小变化，需要更高层的理论来描述，就像经典物理是相对论的低速近似一样。
不过这些猜想都建立在上述Paper中所说不均匀性存在的基础上，所以一方面可以异想天开新物理，一方面期待有更精确的仪器来观测更远测点的精细结构常数，来验证 到底是不是不均匀的。
最后，多说一句，在文章简介中还有一句让人有些担忧的话：
“A new AI analysis method is employed”
一个崭新的AI算法被应用进来，我没有详细检查作者使用AI的具体细节。
首先，这是一个趋势，万物皆可机器学习，它给我们带来了很多便利，在数据收集和处理上让我们获得很多便利。
其次，要谨慎，毕竟是个黑盒，在给出如此颠覆性结论的时候AI是否可靠是个非常值得探讨的问题。
题外话：
这个工作被PhysOrg报道，并引起较大关注。不过话说，我也是被PhysOrg报道过的人（嘻嘻）：
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其他创作的分类整理：
参考
感觉国内和国外『火』的文章完全不一样。。。同样是说『宇宙可能有明显的各向异性』，前不久一组欧洲的X-ray星系团研究团队的文章引起了不小的争议（
），但这篇精细结构文章感觉完全没有反响。。。
这篇文章并没有强调是宇宙膨胀或者大尺度结构有各向异性，写得比较中规中矩。估计又是被报道带偏了吧。和之前星系团看到的那个一样，这个研究也不可能用来支持『宇宙在大尺度上不是各向同性的』这个结论。这个结论有宇宙微波背景辐射的各向异性功率谱研究来守护。CMB温度各向异性在宇宙学尺度上是十万分之一量级，这是一个已经被COBE，WMAP，Planck，以及众多地面CMB观测反复证实的，极难被另外一组观测推翻。如果宇宙膨胀具有更显著的各向异性，一定会在CMB观测中反映出来。
这也是我最近学到的很重要的一点：任何关于宇宙学模型的『惊人发现』，一定先看是否过得了CMB这一关。过不了，免谈。而且说是一关，其实是温度各向异性，偏振各向异性，温度x偏振，ISW效应等等一堆测试在等着你。
X-ray星系团的标度关系研究和这个精细参数演化研究本身都是非常重要的观测研究，而且难度极大。其实这两篇文章的作者感觉还是很用心的，不过在扎眼的结论面前都没忍住。。。这种难度的研究有一个很大的问题是『Unknown unknown』类型的系统问题，说白了就是『卧槽，真没想到这里也能出问题』那种。比如精细结构这篇文章里对光谱校准改正的要求就达到了变态的程度。即便作者以现有标准严格地完成了各种改正，也不意味着在其中有我们没有意识到的问题会产生各种假信号。
按你胃，如果已经杞人忧天到了担心宇宙非各向同的地步，就找下面这张图来看看:
很舒服吧？图来自：
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