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日期: 2021-04-18 | 來源: 果殼網 | 有0人參與評論 | 字體: 小 中 大
近日，美國費米國家實驗室公布了最新繆子（μ 子）磁矩的測量結果，這立馬引起了物理學界的廣泛關注，我們對宇宙構成的認知，可能因此而發生變化！
費米實驗室中巨大的超導磁鐵存儲環，粒子加速器產生的繆子束流進入儲存環後，探測器即開始記錄其運動狀況 | fnal.gov
為什麼這樣說呢？因為追尋構成世界的基本元素，是科學史上最為悠久的問題之壹。中國古人有雲，壹尺之棰，日取其半，萬世不竭。而古希臘哲學家則認識到物質由基本的元素構成，甚至已經提出了 " 原子 " 的概念。當然，這些都是古人對於世界最原始的樸素認知，但對於探索宇宙的成分、物質的構成，人類從沒有停止過。
粒子標准模型：壹部物理學界的物種百科
經過眾多科學先驅的努力，人們終於認識到，宏觀的物質是由微觀粒子構成的，很多微觀粒子是由更小的粒子構成的，若粒子無法被分解，那麼我們就稱之為基本粒子，這樣的壹門學科叫做粒子物理（也叫高能物理）。
壹台上世紀 60 年代的范德格拉夫式靜電場粒子加速器 | wikipedia.org
上個世紀是粒子物理的黃金時期，通過研究宇宙射線、建造粒子對撞機等，人們對物質的認知不斷深入。從原子到電子、原子核，從質子中子再到膠子、誇克，人們發現了大量的新粒子，又不斷地分解這些粒子，就像集郵壹樣，物理學家們甚至還為粒子的命名權而明爭暗斗，比如 1974 年，丁肇中與另壹位物理學家伯頓 · 裡克特同時發現了壹個新粒子，丁肇中想稱之為 "J" 粒子，而裡克特則選用了希臘字母 "ψ"，後來科學界幹脆就把這個新粒子叫做 "J/ψ" 粒子。
丁肇中與裡克特，這次新粒子命名之爭也成為現代物理學歷史上壹段知名公案 |Sandbox Studio, Chicago
除了基本粒子，人們對粒子之間的相互作用力也有了新的發現，除了萬有引力和電磁力外，基本粒子之間還存在弱相互作用力以及強相互作用力。
隨著發現的粒子越來越多，而且伍花八門，粒子之間的關系也繁瑣復雜。正如門捷列夫建立元素周期表壹樣，人們隱約覺得，如此繁多粒子的背後，也應該有壹個相似的 " 粒子周期表 "。在這個思想指導下，標准模型橫空出世！標准模型就像是粒子物理學家的聖經壹樣，對微觀世界的研究，都要接受它的指導。
如果僅僅能解釋已知的現象，那也難服眾人。2013 年，歐洲核子中心的大型強子對撞機發現了壹個新粒子，這個粒子完全是標准模型預言的粒子，也就是大名鼎鼎的希格斯粒子。這壹戰，標准模型就此封神！
粒子物理標准模型 | 作者供圖
正所謂否極泰來，物極必反。標准模型變得完美的時候，也恰恰是其不完美開始顯現的時候。時間長了，人們也慢慢地發現，標准模型似乎也不是那麼 " 標准 "。比如說，標准模型 " 規定 "，基本粒子之壹的中微子不能有質量，要以光速在宇宙中穿梭，然後實驗測量發現，中微子耍了壹點小滑頭，它以非常接近光速的速度運動，而且有非常小的質量，不仔細看，還真發現不了這壹點！這種結果讓人們很不爽，如此完美的標准模型竟然不完美，但人們又無可奈何，只能接受這壹點。
粒子加速器產生的各種粒子，在中微子的帶領下進入超導磁鐵儲存環 | Sandbox Studio, Chicago
有人看到了危機，有人卻能看到機遇！這或許是破舊立新的機會，雖然標准模型還沒多舊。當不可戰勝的神流血之後，就會有越來越多的挑戰者！而這壹次費米國家實驗室實驗的內容，是測試繆子磁矩。繆子，也是標准模型中的基本粒子之壹，它是我們熟知的另壹個基本粒子——電子——的贰哥，除了比電子重 200 多倍，其它沒有什麼區別。
繆子（μ 子）與電子的關系 | Jorge Cham,physics.aps.org
什麼是磁矩呢 ? 大家中學物理課可能學過，作用力促使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向，稱為力矩。那麼繆子的運動模式，是像陀螺壹樣飛速繞著中心軸旋轉，這種自轉運動形成了沿著繆子自轉軸排列的磁場。這個圍繞繆子產生的磁場力矩，就被稱為磁矩。
費米實驗室的科學家在觀察繆子磁矩的時候，發現壹個有趣現象：那就是看似空無壹物的真空，實則暗流湧動，風雲肆起！壹個靜止的繆子，會在周圍的真空中激發出正反粒子對，這些粒子對從真空中湧現，又在瞬間消失的無影無蹤 , ，如同奇幻電影裡的小精靈，突然出現又突然消失。這些小精靈壹樣的神秘粒子，雖然沒法被直接觀察到，但卻對繆子的磁矩產生可觀的影響。
在費米實驗室本次實驗中，繆子身邊出現了無數神秘粒子 | | Jorge Cham,physics.aps.org
如果把繆子看作壹個小陀螺，那麼它在自轉時，由於磁場的存在，也不是筆直地按照中心軸穩定旋轉，而會出現中心軸 " 扭來扭去 " 的現象。也就是說，那些神秘的小精靈壹樣的粒子，似乎有壹種無法看到的力量，讓這只小陀螺在自轉中，扭動的 " 姿勢 " 和預測中的不壹樣。
虛粒子——打開新物理大門的小精靈
其實，在之前的物理學研究中，科學家也注意到了這些神秘的小精靈，由於來無影去無蹤，幹脆就把這些粒子叫做 " 虛粒子 "！著名物理學家施溫格在 1947 年最先計算了虛粒子對電子的影響，這在當時是巨大的理論進步，以至於他去世之後，墓碑上都鐫刻了這個結果。
通過影響繆子磁矩，虛粒子證明了自己的存在 | Jorge Cham,physics.aps.org
雖然有壹個 " 虛 " 字，但是虛粒子的影響卻是實實在在的。因此理論計算的時候，就要把所有已知的粒子都考慮進去，這是非常繁瑣的事情，虛粒子瞬息萬變，想抓住它並不容易，甚至使用了超級計算機進行計算。然而，迎接理論物理學家的並不是勝利的號角，實驗物理學家經過多年的努力，發現事情並沒有這麼簡單。電子磁矩的理論計算與實驗結果，在小數點後 11 位還能保持相同，理論與實驗呈現高度的壹致性，標准模型不愧為粒子物理學的聖經！這也是物理學中最精確的結果，沒有之壹！
然而，當人們把目光轉向繆子的時候，預期的完美結果並沒有出現，理論計算與實驗測量總是差壹點點，這壹點點的差距在 20 年前就被發現，經過了 20 年的努力，這壹差距並沒有縮小，反而越發堅固！
與理論不同，實驗測量的是最真實的宇宙，宇宙並不會因為壹個粒子不在標准模型裡就歧視之，天地不仁，以萬物為芻狗，所有粒子都被壹視同仁地參與繆子磁矩。
當實驗結果與理論計算結果不壹致時，機遇就再次展現出來！標准模型不完美的呼聲也越來越高了，宇宙中很有可能還有新的沒有被發現的粒子，這些粒子不在標准模型之內，因此理論計算自然沒有包含它們的貢獻，理論與實驗有差距也就很容易理解了。
夜幕降臨，抬頭望向夜空，繁星點點。我們看見的，真的就是整個宇宙嗎？有時候眼睛往往會蒙蔽真相。上個世紀，天文學家的觀測徹底顛覆了人們對於宇宙的認知，普通可見物質只占到了宇宙總成分的 5%！除此之外，宇宙中還有 26% 的不可見物質，也就是大家常說的暗物質。暗物質是普通物質的伍倍還多！當然，還有 69% 的暗能量，不過那是另外壹個故事，此處不予多說。
普通可見物質只占到了宇宙總成分的 5%，更多的暗物質和暗能量有待人類去探索發現 | universetoday.com
就像普通物質是由各種基本粒子構成的壹樣，人們也自然地相信暗物質也會是由某種基本的粒子構成，那麼構成暗物質的基本粒子到底是什麼呢？探索宇宙的道路不會壹帆風順，至少在這壹步，人們已經舉步維艱很久了。人們上天入地，想找到暗物質粒子的蹤跡，但是遺憾的是，到目前為止，暗物質粒子的影子都沒有發現。
長期以來，尋找暗物質的科學家如同壹群壹無所獲的偵探 | Sandbox Studio, Chicago
因此，繆子磁矩就像是壹針強心劑，人們覺得好像又行了！大家很自然地聯想到暗物質，也會自然地想，這兩者有相同的內在機制。這個結果，給暗物質研究、宇宙構成與演化問題帶來了新的機遇，畢竟暗物質在宇宙中的占有量是普通可見物質的伍倍！
當然，這些聽起來很振奮人心，但是物理學家對於壹個結果總是會慎之又慎！實際上，目前的實驗結果並不被認為是壹個確定的發現，因為這樣的好結果有可能是因為統計數據不夠，數據誤差過大導致的，這樣的可能，目前有肆萬分之壹的概率。壹般來說，只有這個概率小於千萬分之叁，才會認為是真的發現了新的現象！
雖然如此，目前的結果也足夠令人振奮人心。費米實驗室將在未來幾年內繼續測量繆子磁矩，收集更多的數據，相信那時候我們會有壹個更堅實的結果。回想彼時，拾九世紀初，開爾文勳爵演講中的 " 兩朵烏雲 "，直接帶來了相對論與量子力學這兩個重量級的物理學革命，我們對宇宙的認知也發生了翻天覆地的變化！再看此時，或許我們也處於相似的境地，壹個小小的繆子，或許就是通向未來新物理的起點也說不定呢！
作者：子乾- 新聞來源於其它媒體，內容不代表本站立場！
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