2000年来首次,人类有了超出科学理解的重大发现!

2021-05-06 20:14:18 中信出版集团

不得了,过去的一个月,全球科学界都因为一项实验沸腾了

4月8日,美国费米国家实验室公布了缪子(μ子)反常磁矩的测量结果:实验与理论预测之间存在4.2个标准差的偏差。

缪子g-2实验装置中的磁铁。来源:Fermilab

虽然距离宣称“发现新物理”的5个标准差仍有一步之遥,但这起码可以说明旧有的“标准模型”已经遭遇到了前所未有的挑战

如果这个发现进一步确认,意味着人类发现了一种超出目前知识理解范围之外的新现象

不仅物理学的经典理论构架会被颠覆,我们看待物质世界乃至整个宇宙的方式都将经历一场剧变,重要性怎么说都不为过。

不过问题来了,这次的实验结果和“标准模型”之间有什么关系呢?

“标准模型”不再标准?

“标准模型”是目前粒子物理学中最好的理论模型。

在过去的半个世纪内不断完善,它描述了所有已知的基本粒子,和除万有引力之外的其他三种基本相互作用力:强力、弱力、电磁力

标准模型。来源:Wikipedia

它是由温伯格、格拉肖等物理学家在70年代提出的,还因此获得了诺贝尔物理学奖。

我们知道,构成物质的最小单位从上往下依次拆分,可以分为:分子—原子—原子核—核外电子,原子核又可以进一步拆分为质子和中子。

在目前最高精度的物理学研究中,质子和中子又可以拆分为更小的夸克。而对于原子核外的电子,科学家们目前还没能找到比它更小的组成。

因此,我们将诸如夸克、电子等粒子称为“基本粒子”。

但是,除此之外,还有一种没法继续拆分的基本粒子,那就是缪子(μ子)

缪子(μ子)和电子很像,但质量是电子的约200倍,可以被视为电子的“大哥”。

轻子家族 | 来源:我是科学家

可惜缪子体量虽大,寿数却并不长。他的平均寿命只有2.2微秒(1微秒等于百万分之一秒),缪子如此转瞬即逝,难以摸清它的踪迹。也因为如此,更多的真相等待被发掘。

这次的“大新闻”,问题就出在这个缪子身上。

今年的实验,就是给缪子在外部加上一个磁场,然后观察它在磁场里的进动。

所谓“进动”就是类似陀螺,当我们抽打陀螺的时候,陀螺除了自身的转动之外,它的中心轴还会绕着重力的方向转动。

缪子在磁场的转动好比螺旋旋转 | Wikimedia Commons, Lucas Vieira / public domain

既然缪子有磁场,自己还带电,它的磁场就会跟自己的电荷作用,就会产生作用能,在缪子周围产生各种各样的其他粒子,这些粒子都会影响缪子在磁场中的进动情况。

至于具体产生什么粒子、产生多少、能量有多少……都可以用已经非常成熟的“标准模型”里的公式给计算出来,算完之后就去做实验测量,按理说,也不会有太大出入。

但问题偏偏就出在这里

其实早在20多年前,物理学家做实验的时候就发现,从公式计算出来的数据和实验得出的数据不太一样,只不过这个偏差很小,大约是2.7个标准差。

但是,一个完全颠覆现有物理理论的结果,需要相差足足5个以上的标准差

所以在当时,这个偏差被认为是实验允许的误差,谁都没有太在意。

只不过,随着时间的推移,过去十多年时间里,理论值的精确度已经提高了一倍,而且在2018年美国费米实验室已经尝试把这项实验的测量精度提高了4倍。

实验结果和理论测算数据之间的偏差不仅没有缩小,反而越来越大,已经到了4.2个标准差,这个趋势说明:或许真的有一种超越了现今的“标准模型”的粒子或“第五种力”的存在

“第五种力”正在拓展人类想象的边界

事实上,这次的实验结果之所以会震惊全球科学界,一个重要原因就在于媒体在报道中高频引用了这样一个概念——“我们发现了第五种力”。

啥概念?

在《不可思议的物理》一书中,美国著名的物理学家、超弦理论创始人之一的加来道雄是这样说的:

在过去的2000年中,物理学的最高成就之一便是分离并鉴别了主宰宇宙的四种力。

它们是:

引力。它能使我们的双脚站在地面上、防止地球与恒星解体,并且将太阳系和银河系维系在一起。

电磁力。它是点亮我们城市的力。激光、无线电、电视机、现代电子学、计算机、互联网、电学和磁学都是受电磁力的影响而产生的。

弱核力+强核力。弱核力是放射性衰变的力。它是加热地球中心的力,具有放射性。它是火山、地震和大陆漂移背后的力量。强核力是将原子核维系在一起的力。太阳与星体们的能量始自核力,核力担负着点亮宇宙的职责。

如今,人类仅仅只掌握了这四种力,似乎就有了毁天灭地的能力,如果真的发现了第五种力,那么人类未来也就真的可以超凡入圣,将科幻电影变成现实了。

那么这第五种力都可以干些啥呢?

看过《星际迷航》没有?

柯克船长经常向船员们发出的指令就是:“打开防护罩!”用物理学的术语来说就是:升起力场

在《星际迷航》中,力场极为重要,以至战斗的走向可以用力场的支撑情况来衡量。每当力场中的能量被抽走,企业号的船体就会承受越来越多的破坏性重击,直到最终不可避免地投降。

力场是什么?在科幻小说里,它就是:一层薄薄的、隐形的却无法穿透的屏障,能使激光和火箭之类的东西改变攻击方向

乍一看,力场非常简单,它作为一种战场上的屏障被创造出来似乎是近在眼前的事,但事实远比这复杂得多,因为它并不符合已知的物理定律,被认为是最难以在实验室里被创造出来的装置之一

但加来道雄说,如果我们能发现并掌握“第五种力”,那么这一切就可以轻松解决

军队可以利用力场使自身变得固若金汤,创造一种能够抵抗敌人飞弹和子弹的、无法穿透的盾牌。

理论上,只按一下按钮,桥梁、高速公路和道路就可以被建造起来。整个城市可以立即在沙漠中破土而出,拥有完全用力场建造的摩天大楼。

笼罩住整个城市的力场可以让其中的居民任意减少天气带来的影响,这些天气包括强风、暴雪和龙卷风。

在力场的安全罩的保护下,城市可以被建造在海洋底下,玻璃、钢铁和灰浆可以被完全替代。

“不可能”永远是相对的

让我们再把目光拉回到现实,近日,美国阿贡国家实验室加速器控制工程师洪然在一篇文章中说,就目前的这个实验数据而言,想要取得“革命性的突破”还需要更多的积累。

但这并不是说,未来科幻电影中的情节不会实现。

加来道雄在《不可思议的物理》中说:作为一名物理学家,我认识到“不可能”往往是一个相对的概念。

加来道雄

科学在20 世纪取得了长足的发展,特别是诞生了量子理论与广义相对论,现在我们已经可以大致估计这些梦幻般的科技将在何时可能被实现。

现在,随着更为先进的理论 (比如弦理论) 的产生,连一些属于科幻范畴的概念 (如时间旅行和平行宇宙) 也正在被物理学家们重新评估。

回想150 年以前那些被当时的科学家们宣布为“不可能”的科技成果,如今已经成为我们日常生活的一部分。

儒勒·凡尔纳在1863 年写完了一部小说—— 《 20世纪的巴黎》。这部小说被尘封起来,并且被遗忘了一个多世纪,直到凡尔纳的重孙发现它,并且在1994 年将其首次出版。

儒勒·凡尔纳

在书中,凡尔纳预言了巴黎在1960 年可能会呈现的面貌。他的小说中充满了在19 世纪看来显然不可能的科技,包括传真机、一个世界性的通信网络、玻璃建造的摩天大楼、燃气动力汽车和高速高架火车。

令人遗憾的是,19 世纪一些最伟大的科学家持相反的立场,并且宣布许多科技是不可能实现的,毫无指望。

开尔文勋爵或许是维多利亚女王时代最杰出的物理学家 (他葬于威斯敏斯特教堂,在艾萨克·牛顿的身边) ,他宣称像飞机那样“比空气更重的”装置是不可能实现的,他认为X 光是无聊的把戏,无线电没有未来。

发现了原子核的科学家卢瑟福爵士对制造原子弹的可能性不屑一顾,认为那是妄想。

离现在更近一些的时候,黑洞曾被认为是科学幻想。爱因斯坦本人在1939 年写过一篇论文,“证明”黑洞永远不可能形成。

如果缺少前沿物理学方面的坚实基础,那么人类将永远对着未来科技苦思冥想,而不明白它们究竟是否可行

回顾整个人类的科学发展史,你会发现这更是史诗级的接力赛。

一次又一次,我们看到,对不可能的事物的研究打开了全新的视野,拓展了人类足迹的疆界,并且迫使科学家们重新对自己所说的“不可能”下定义。

正如威廉·奥斯勒爵士所言:

一个时代的信仰在下一个时代成为谬误,过去的荒唐愚蠢却成为明日的睿智。

#今日份互动#

你最喜欢的科幻电影是哪部?或者最喜欢其中的哪个角色、哪句台词?

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美籍裔物理学家科学畅销书作者超弦理论创始人之一

加来道雄作品

-End-

编辑:楚旂

2021.5.6

「在看」,给阿信加鸡腿

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