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克日,美国费米国家实验室宣布了最新缪子(μ子)磁矩的丈量效果,这立马引起了物理学界的普遍关注,我们对宇宙组成的认知,可能因此而发生转变

费米实验室中伟大的超导磁铁存储环,粒子加速器发生的缪子束流进入储存环后,探测器即最先纪录其运动状态 | fnal.gov

为什么这样说呢?由于追寻组成天下的基本元素,是科学史上最为悠久的问题之一。中国昔人有云,一尺之棰,日取其半,万世不竭。而古希腊哲学家则熟悉到物质由基本的元素组成,甚至已经提出了“原子”的观点。固然,这些都是昔人对于天下最原始的质朴认知,但对于探索宇宙的身分、物质的组成,人类从没有住手过。

粒子尺度模子:一部物理学界的物种百科

经由众多科学先驱的起劲,人们终于熟悉到,宏观的物质是由微观粒子组成的,许多微观粒子是由更小的粒子组成的,若粒子无法被剖析,那么我们就称之为基本粒子,这样的一门学科叫做粒子物理(也叫高能物理)。

一台上世纪60年月的范德格拉夫式静电场粒子加速器 | *** .org

上个世纪是粒子物理的黄金时期,通过研究宇宙射线、制作粒子对撞机等,人们对物质的认知不停深入。从原子到电子、原子核,从质子中子再到胶子、夸克,人们发现了大量的新粒子,又不停地剖析这些粒子,就像集邮一样,物理学家们甚至还为粒子的命名权而明争冷战,好比1974年,丁肇中与另一位物理学家伯顿・里克特同时发现了一个新粒子,丁肇中想称之为“J”粒子,而里克特则选用了希腊字母“ψ”,厥后科学界爽性就把这个新粒子叫做“J/ψ”粒子。

丁肇中与里克特,这次新粒子命名之争也成为现代物理学历史上一段着名公案 |Sandbox Studio, Chicago

除了基本粒子,人们对粒子之间的相互作用力也有了新的发现,除了万有引力和电磁力外,基本粒子之间还存在弱相互作用力以及强相互作用力。

随着发现的粒子越来越多,而且五花八门,粒子之间的关系也繁琐庞大。正如门捷列夫确立元素周期表一样,人们隐约以为,云云繁多粒子的背后,也应该有一个相似的“粒子周期表“。在这个头脑指导下,尺度模子横空出世!尺度模子就像是粒子物理学家的圣经一样,对微观天下的研究,都要接受它的指导

若是仅仅能注释已知的征象,那也难服众人。2013年,欧洲核子中央的大型强子对撞机发现了一个新粒子,这个粒子完全是尺度模子预言的粒子,也就是赫赫著名的希格斯粒子。这一战,尺度模子就此封神!

粒子物理尺度模子 | 作者供图

正所谓枯木逢春,物极必反。尺度模子变得完善的时刻,也恰恰是其不完善最先展现的时刻。时间长了,人们也逐步地发现,尺度模子似乎也不是那么“尺度”。好比说,尺度模子“划定”,基本粒子之一的中微子不能有质量,要以光速在宇宙中穿梭,然后实验丈量发现,中微子耍了一点小滑头,它以异常靠近光速的速率运动,而且有异常小的质量,不仔细看,还真发现不了这一点!这种效果让人们很不爽,云云完善的尺度模子竟然不完善,但人们又无可怎样,只能接受这一点。

粒子加速器发生的种种粒子,在中微子的率领下进入超导磁铁储存环 | Sandbox Studio, Chicago

有人看到了危急,有人却能看到时机!这或许是破旧立新的时机,虽然尺度模子还没多旧。当不能战胜的神流血之后,就会有越来越多的挑战者!而这一次费米国家实验室实验的内容,是测试缪子磁矩。缪子,也是尺度模子中的基本粒子之一,它是我们熟知的另一个基本粒子――电子――的二哥,除了比电子重200多倍,其它没有什么区别。

什么是磁矩呢? 人人中学物理课可能学过,作用力促使物体绕着转动轴或支点转动的趋向,称为力矩。那么缪子的运动模式,是像陀螺一样飞速绕着中央轴旋转,这种自转运动形成了沿着缪子自转轴排列的磁场。这个围绕缪子发生的磁场力矩,就被称为磁矩

费米实验室的科学家在考察缪子磁矩的时刻,发现一个有趣征象:那就是看似空无一物的真空,实则暗流涌动,风云四起!一个静止的缪子,会在周围的真空中引发出正反粒子对,这些粒子对从真空中涌现,又在瞬间消逝的无影无踪, ,犹如奇幻影戏里的小精灵,突然泛起又突然消逝。这些小精灵一样的神秘粒子,虽然没法被直接考察到,但却对缪子的磁矩发生可观的影响。

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若是把缪子看作一个小陀螺,那么它在自转时,由于磁场的存在,也不是笔直地根据中央轴稳固旋转,而会泛起中央轴“扭来扭去”的征象。也就是说,那些神秘的小精灵一样的粒子,似乎有一种无法看到的气力,让这只小陀螺在自转中,扭动的“姿势”和展望中的纷歧样。

虚粒子――打开新物理大门的小精灵

着实,在之前的物理学研究中,科学家也注重到了这些神秘的小精灵,由于来无影去无踪,爽性就把这些粒子叫做“虚粒子”!著名物理学家施温格在1947年最先盘算了虚粒子对电子的影响,这在那时是伟大的理论提高,以至于他去世之后,墓碑上都镌刻了这个效果。

虽然有一个“虚”字,然则虚粒子的影响却是实着实在的。因此理论盘算的时刻,就要把所有已知的粒子都思量进去,这是异常繁琐的事情,虚粒子瞬息万变,想捉住它并不容易,甚至使用了超级盘算机举行盘算。然而,迎接理论物理学家的并不是胜利的军号,实验物理学家经由多年的起劲,发现事情并没有这么简朴。电子磁矩的理论盘算与实验效果,在小数点后11位还能保持相同,理论与实验出现高度的一致性,尺度模子不愧为粒子物理学的圣经!这也是物理学中最正确的效果,没有之一!

然而,当人们把眼光转向缪子的时刻,预期的完善效果并没有泛起,理论盘算与实验丈量总是差一点点,这一点点的差距在20年前就被发现,经由了20年的起劲,这一差距并没有缩小,反而越发坚硬!

与理论差异,实验丈量的是最真实的宇宙,宇宙并不会由于一个粒子不在尺度模子里就歧视之,天地不仁,以万物为刍狗,所有粒子都被一视同仁地介入缪子磁矩。

当实验效果与理论盘算效果纷歧致时,时机就再次展现出来!尺度模子不完善的呼声也越来越高了,宇宙中很有可能尚有新的没有被发现的粒子,这些粒子不在尺度模子之内,因此理论盘算自然没有包罗它们的孝顺,理论与实验有差距也就很容易明晰了。

夜幕降临,仰面望向夜空,繁星点点。我们望见的,真的就是整个宇宙吗?有时刻眼睛往往会蒙蔽真相。上个世纪,天文学家的考察彻底推翻了人们对于宇宙的认知,通俗可见物质只占到了宇宙总身分的5%!除此之外,宇宙中尚有26%的不能见物质,也就是人人常说的暗物质。暗物质是通俗物质的五倍还多!固然,尚有69%的暗能量,不外那是另外一个故事,此处不予多说。

通俗可见物质只占到了宇宙总身分的5%,更多的暗物质和暗能量有待人类去探索发现 | universetoday.com

就像通俗物质是由种种基本粒子组成的一样,人们也自然地信托暗物质也会是由某种基本的粒子组成,那么组成暗物质的基本粒子到底是什么呢?探索宇宙的蹊径不会一帆风顺,至少在这一步,人们已经举步维艰良久了。人们上天入地,想找到暗物质粒子的踪迹,然则遗憾的是,到现在为止,暗物质粒子的影子都没有发现

耐久以来,寻找暗物质的科学家如统一群一无所获的侦探 | Sandbox Studio, Chicago

因此,缪子磁矩就像是一针强心剂,人们以为似乎又行了!人人很自然地遐想到暗物质,也会自然地想,这两者有相同的内在机制。这个效果,给暗物质研究、宇宙组成与演化问题带来了新的时机,究竟暗物质在宇宙中的占有量是通俗可见物质的五倍!

固然,这些听起来很振奋人心,然则物理学家对于一个效果总是会慎之又慎!现实上,现在的实验效果并不被以为是一个确定的发现,由于这样的好效果有可能是由于统计数据不够,数据误差过大导致的,这样的可能,现在有四万分之一的概率。一样平常来说,只有这个概率小于万万分之三,才会以为是真的发现了新的征象!

虽然云云,现在的效果也足够令人振奋人心。费米实验室将在未来几年内继续丈量缪子磁矩,网络更多的数据,信托那时刻我们会有一个更坚实的效果。回忆彼时,十九世纪初,开尔文勋爵演讲中的“两朵乌云”,直接带来了相对论与量子力学这两个重量级的物理学革命,我们对宇宙的认知也发生了排山倒海的转变!再看此时,或许我们也处于相似的田地,一个小小的缪子,或许就是通向未来新物理的起点也说不定呢

作者:子干

编辑:朱步冲

一个AI

独身缪子在酒吧永远点两杯酒,其中一杯留给可能泛起并爱上自己的虚粒子

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“土味广告”刷屏,画风哈哈哈哈
1 条回复
  1. 登1登2登3代理
    登1登2登3代理
    (2021-08-13 00:01:44) 1#

    环球UG感觉很耐看,有深意

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