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物理学将被改写?新的研究强烈暗示了存在超出人类认知的未知粒子

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对于一个科学理论而言,即使有1万次实验结果都符合该理论的描述,也不能证实它是绝对正确的,而仅仅只需1次实验结果不符合该理论的描述,就可以证明它是有错误的,该理论就需要改写,甚至还可能被直接否定,这就是科学理论的可证伪性。


2021年4月7日,一项发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)的研究论文显示,来自费米实验室的科学家发现,一种被称为“μ子”的基本粒子在磁场中的表现与现有的物理学理论所描述的结果出现了不可忽视的差异。

科学家认为,这项新的研究强烈暗示了存在超出人类认知的未知粒子,如果该研究结果得到进一步的验证,那就可以算是物理学重大发现,而这也就意味着我们现有的物理学将被改写。

这项新的研究发现了什么?


如上图所示,μ子是粒子物理标准模型中的一员,它和电子一样都是属于带负电的轻子,不同的是,μ子的平均寿命极短,仅为2.2 x 16^-6秒,并且μ子比电子要“胖”得多,其质量大约为电子的200倍。

根据量子力学,自旋是基本粒子的一种内禀性质,μ子当然也不例外,我们可以简单地将其理解为一个旋转的小球,而由于μ子带负电,因此它的自旋就会产生一种被称为磁矩的物理量。


基本粒子的磁矩可以通过实验来进行测定,也可以通过公式“μ = gs(e/2m)”来进行描述,其中s为粒子自旋,e为粒子电荷,m为粒子质量,g则是一个待定的常数,科学家将其称为“g因子”,而问题就出现在这个“g因子”上。

根据经典物理学的计算,“g因子”应该严格地等于2,但通过实测数据得出的“g因子”却总是与2这个值存在着偏差,为什么呢?

量子场论对其进行了解释,根据该理论的描述,真空中会不断地激发出虚粒子,这些虚粒子在极为短暂的时间内又会湮灭,正是这些虚粒子与基本粒子发生了相互作用,从而造成了通过实测数据得出的“g因子”出现了偏差。


在此次研究工作中,科学家利用质子撞击制造了数以亿计的μ子,并将其注入一个直径达15米的超导磁环,随后让它们以接近光速的速度在磁环中运行。在这个过程中,通过精密的测量仪器,科学家采集到了海量的数据。

在超级计算机的帮助下,科学家得出第一轮数据的分析结果,即:μ子的“g因子”为2.00233184122,而根据量子场论计算出的理论值却是2.00233183620。可以看到,这两者之间存在着不可忽视的差异。


这是因为测量或者计算不够准确吗?答案是否定的,其实此次研究的精度非常高,而在相关的计算中,科学家也充分考虑了人类认知范围内的所有物理过程。

实际上,科学家在实验中也用同样的方式对电子进行了测量,通过实测数据得出的“g因子”为2.002319304361,而理论值则为2.002319304362。可以看到,这两者是高度吻合的。

那这是什么原因造成的呢?科学家认为,这有两种可能,一是现有的物理学理论出了问题,二是有某种超出人类认知的未知粒子对μ子产生了影响,考虑到现有理论计算出的理论值与电子的实测数据高度吻合,因此我们应该更倾向于后者,毕竟μ子比电子“胖”得多,更容易受到未知粒子的影响。


物理学将被改写了吗?

由于此次实验结果的精度为4.2σ(意思就是因为不确定因素而出错的概率大约为4万分1),而在物理学中,一项实验结果的精度必须达到5σ以上,才可以达到“物理学重大发现”的标准,因此现在只能说这项新的研究强烈暗示了存在超出人类认知的未知粒子,暂时还不能给出确定的结论,至于物理学会不会改写,还要看后续的研究。

根据费米实验室的介绍,目前这项研究的第二、三轮数据正在分析之中,而第四轮和第五轮的实验也正在按照计划实施,预计实验结果的精度将在后续的研究中得到提升,从而达到5σ以上。也就是说,在不久之后,这个问题的答案就可以揭晓,让我们拭目以待吧。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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