第五种力即将被发现？停滞100年的物理学，难道终于有新突破了？

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物理学自诞生之初，便颠覆了人类对自然界的认知，把人类从对不可知神灵的崇拜与臣服中拯救出来，使人们转而相信可知的自然规律。

目前，人类社会的物理学，其发展历史上有两个重大突破。

第一个重大突破，是以伽利略与牛顿为首的科学家建立的经典物理学体系。

第二个大突破，则是以爱因斯坦与普朗克为代表的科学家建立的现代物理学。

自上个世纪之后，人们似乎再也没有听说过，物理学取得了什么巨大的突破。

也就是说，物理学近乎停滞了一百年。

加上现在很多科幻小说问世，又给人们提供了许多想象空间。

难道物理学真的披上了“科技锁”？这个世纪之内，我们还能听到物理学的大新闻吗？

物理学到底啥时候才能迎来它的第三次突破？

µ子大揭秘

阻碍现代物理学发展的障碍，大概可以归纳为三个：强调自然现象具有普适性的万有理论、探究物质结构的标准模型与难以论证的暗物质与暗能量。

在这种观念的指导下，世间万物都可以拆解成无数个微观基本粒子。

乍听起来也许难以理解，但对于基本粒子，我们在学生时期其实就已经接触过。

我们在中学时期所学过的光子、中微子、夸克等，就是基本粒子。

所以说，要想完善物理学的标准模型，万万离不开对基本粒子的研究，后者是关键中的关键。

掌握了物理学基本粒子的自然规律，相当于将物理学这门学科上笼罩的量子乌云扫去了大半。

地中海地区曾建设过一个宇宙深渊天体粒子研究天文台。

这个天文台发现，当中微子与水、空气还有下层岩石分子相撞之时，一种高能带电粒子随之产生。

这种高能带电粒子就是µ子。

专门研究中微子的科学家Coelho认为，这个µ子有可能是目前人类所能探测到的能量最高的中微子。

要想深入探究物理学的标准模型，就不可能避开对µ子的研究。

对µ子的测量与研究，很早之前就已经开始了。在物理学历史上，多次实验的焦点，都主要集中在对µ子自旋磁矩与角动量比值的探究上。

1935年的物理学家算出这个比值是整数2。但当时物理学的发展水平显然还不够先进，考虑的因素还不够充足。

在后来的实验中，吸取了更多经验的科学家把当时一个现行的理论——量子涨落理论纳入了对µ子的测量实验之中，得出了一个新的数值，即2.002319304362。

有的读者也许会不理解。就这0.01都不到差距，有必要这么在乎吗？可所谓差之毫厘，失之千里。对于一门严谨的科学来说，再小的差别，也必须重视。

在21世纪，美国费米国家实验室的实验再次计算了µ子自旋磁矩与角动量的比值，实验结果却令人十分惊讶，可谓一石激起千层浪。

难道说，这次实验结果，又算出了什么新数值？

美国实验新结果

在新世纪中，美国对µ子的研究领先一步。

要知道，自2021年以来，量子物理学再也没有出现过像量子涨落理论这样的新理论。

也就是说，上文提到的那个2.002319304362的数值，应该是没有任何问题的。假如有人重新进行实验，计算µ子自旋磁矩与角动量比值，得出来的结果应该就是2.002319304362。

美国费米实验室自然把2.002319304362看作“标准答案”，再次进行实验。

在大得像房屋一样的真空管道里，数不清的µ子就像小精灵，在磁场中飞舞跃动，实验室中最先进的探测器则记录下了µ子们的轨迹。科学家们翘首以盼，等待着最终结果。

这次实验可不了得。终于，在2021年4月，美国费米实验室发布了第一次实验结果，计算出了一个全新的数值。

实验得出的实际数值是2.00233184122，与2.002319304362相比，显然不同。

但第一次实验的置信度仅为4.2σ，说明实验并不是那么完美，还有待提升。

通过中学时接触过一些实验，我们就可以发现，实验的样本其实是很随机的，所以结果也同样随机。

置信度这个东西，就是用来表现实验结果可不可信的数值。

比如说，一个实验结果其实受随机因素影响很大，那么，这个实验的置信度就会很低，实验结果也就没法相信了。

基于这种考虑，美国的科学家们再次准备实验，努力提升实验精度，以提高置信度。

2023年8月，美国费米国家实验室研究μ子g-2的团队再次发布最新结果。

最新的结果建立在前三年的数据的基础上，实验精度已经达到了0.2ppm，实验实际数值与理论预测数值偏差的置信度是5σ。

相比于上次实验的4.2σ，整整提高了0.8σ。

对于我们这种外行人来说，可能不理解这个5σ的置信度代表什么。

把置信度的5σ切换成百分比就好办多了。5σ就是95%。

也就是说，美国第二次试验的结果有95%的可能性是真实的，这个置信度已经相当高了。

实际数值与理论数值存在差别，可同时又没有新的理论来解释这一差别产生的原因。

这就好比我们做一道数学题，把题目里所有内容和课本上所有公式都考虑进去了，结果算出来的数字和参考答案不一样。实在是令人百思不得其解。

假如不存在计算错误的问题，只能表明，一些新的物理学规律还未被人发现。但通过对μ子的实验，这些新规律被科学家观测到了。

而这些新的规律，就是通往“新物理学”的大门。

正因如此，美国国家实验室的第二次实验结果被各界人士看作了一个代表新物理学诞生的“大新闻”。

新物理诞生了吗？

尽管两次实验都展示了与理论值完全不一样的结果，且存在着一定置信度，但还不能完全断言不符合标准模型的新物理已经出现。

最近，有其他国家的科学家公布了一项最新正负电子对湮灭的散射截面测量，即arXiv:2302.08834，此数值与以往的实验结果都有所不同，存在差异。

如果将上述数值代入美国费米实验室的实验中，实验的实际数值和理论数值是可以重合的。

还有一个问题颇为关键。在美国原有的实验中，目前还不能确定算法有没有什么问题。如果用更先进的算法计算，后续实验差异可能会减少。

结语

这次实验结果，只是一个开始。假如用来论证新物理已经产生，则不免有些夸大了。

这种物理学的大型实验，做一次就要花上几年的时间。光重复实验也不行，还可能要改改实验方案、提高实验精度。

新的实验结果，恐怕短期内并不能问世。

就算等到了美国第三次实验结果，但一家之言，始终难以信服。还需等其他国家的物理学研究机构进行实验复现。

毕竟，现在的学术造假事件可是层出不穷，只有实践才是硬道理。

要是其他地方做不出这个结果，美国实验的置信度再高也是拉倒。总不能是美国当地的客观自然规律和世界上其他地方不一样吧。

总而言之，物理学的新发展，还需大众继续展望。

参考文献

徐锐.科学家发现“最强中微子”[N].中国科学报,2024-06-28(001).DOI:10.28514/n.cnki.nkxsb.2024.001321.