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新粒子?缪子实验或揭示“神秘的力”
www.creaders.net | 2021-04-19 22:36:10  金融时报 | 0条评论 | 查看/发表评论
  

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美国费米加速器实验室“缪子g-2”实验的测量结果可能意味着存在一种新的粒子,这将挑战我们对宇宙的认知。

粒子物理学家可能发现了宇宙的一个新秘密,这是个激动人心的消息,不论最终结果是什么,有一点是肯定的,那就是在这个过程中科学工作表现出了最佳的状态。政治理论家可能喜欢主张要证明某个信念是正确的。但是当科学家发现他们的理论行不通时,他们会感到非常喜悦。

伊利诺伊州费米国立加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)的一项实验产生了可能与理论预测不同的结果。正是从这样的差异中,人们发现了科学知识,即使这种差异非常微小——在这件事中,其差异发生在小数点后第九位。这就好像是你在预测圣保罗大教堂(St Paul's Cathedral)与自由女神像(Statue of Liberty)之间的距离时有几毫米的误差。人们认为这种差异是十分重要的,它证明了当前理论的预测准确性,以及科学家们拒绝满足于“接近足够正确”的态度。

最难的部分是解释缪子g-2实验要测量什么,以及这种差异意味着什么。缪子类似于围绕原子旋转的电子,但质量更大:可以说电子是豌豆,而缪子是李子。两者都像是微小的磁铁,实验测量了这种磁性的强度——用一个表示为“g”的数字来加以量化,并通过缪子在磁场中旋转时的摆动程度来进行测量。

用来预测“g”的理论基于所谓的物理学标准模型(Standard Model),该模型描述了我们宇宙中所有已知的基本力和粒子。如果预测不成立,即使误差很小,也一定是遗漏了什么:可能是另外的一种过去从未发现过的粒子或力。早在20年前就有人提出,“g”的预测值可能与实际值不同。这项新实验表明,这种差异可能是真实存在的。

如果确实如此,那么这将比2012年著名的希格斯粒子(Higgs particle)的发现更引人注目。几乎所有人都确信希格斯粒子肯定存在,因为它是标准模型中最后缺失的部分。然而,我们也知道这个模型不能完整地描述我们的世界。首先,它不能调和物理学最深奥的两个理论:量子力学和广义相对论。它也无法解释暗物质——在解释宇宙为什么是现在这样子时需要用到的一种假设物质——的存在。

长期以来,理论物理学家一直在构建超越标准模型的理论。但是,如果没有关于标准模型在什么地方失效的实验指导,我们就不能测试这些理论是否正确。结果是争论很多,但没有进展。因此,粒子物理学家一直在寻找或许能说明标准模型不完善的实验结果。现在他们可能已经找到了。

如果这个差异是真实存在的,它可能表明某种新的自然力量给了缪子额外的推动力。由于物理学中的每一种力都有一个与之相关联的粒子,那么这就意味着存在一种新的粒子——然后人们可以从其他实验中发现这种粒子。

尽管如此,请记住,一些先前宣称可能超越标准模型的“新物理学”已经消失了。此外,本次实验的理论预测背后的计算非常困难,并且依赖于可能留下回旋余地的近似值。一些物理学家在近期发表的一篇论文中提出,测量的结果实际上可能完全符合标准模型。所以这次可能只是虚晃一枪。

就目前而言,问题仍多于结论。这些发现并不能解释暗物质或证明弦理论,充其量只能对前进的道路提供一个模糊的暗示。尽管如此,从更宽泛的意义上来说,这些发现所透露出来的信息正是当前这个快速变化的困难时期所需要的:获得新知识需要耐心和细心、开放但敏锐的头脑,以及接受不确定性的态度。

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