物理学的天空,可能被撕开了一道裂缝!
7月10日,《物理评论快报》发表一项最新研究,通过对钙原子的超精准“称重”,科学家们发现了一个偏离标准理论高达1000倍标准差的宇宙异常信号!这一惊人发现,让我们距离揭开传说中的“第五种力”和“新物理学”的神秘面纱,又走近了惊心动魄的一步吗?
◆ 01 “完美”物理学,其实有个大Bug
长久以来,我们都活在粒子物理“标准模型”的光环下。它像一张完美的地图,精确地描绘了构成我们身体、乃至整个世界的物质基石,以及支配它们的四种基本力——引力、电磁力、强核力和弱核力。
但这张地图并非完美无瑕。苏黎世联邦理工学院的戴安娜·克雷克(Diana Craik)教授坦言:“标准模型无法解释一切。” 宇宙中神秘的暗物质到底是什么?为什么我们世界里的物质远多于反物质?这些问题,标准模型都无法给出答案。物理学家们普遍相信,一定有更深层次的“新物理学”和未知的“第五种力”在等待着我们。
◆ 02 寻找“幽灵之力”
过去,寻找新粒子和新力主要依靠欧洲核子研究中心(CERN)那样的大型粒子对撞机,通过猛烈撞击来“砸”出新东西。但瑞士和德国的这个顶级团队另辟蹊径,他们决定采用一种更精巧的办法:精密原子光谱学。
他们的想法是:如果存在一种神秘的“第五种力”,它可能会在原子核里的中子和核外的电子之间悄悄地传递。这种力的强度,应该和原子核里的中子数量成正比。
怎么验证呢?答案是;同位素。
研究团队选择了五种稳定的钙(Ca)同位素。它们的原子核里都有20个质子,但中子数却各不相同。这就好比是五个体重不同的兄弟,如果“第五种力”存在,那么电子在这五个“兄弟”身边运动时感受到的总“引力”就会有微小的差别,导致它们的能级——也就是电子运动的“心跳”频率——发生极其细微的变化。
为了捕捉这种“心跳”差异,研究人员使用了堪称“黑科技”的离子阱技术。他们史无前例地将一对不同的钙离子同时“囚禁”在电磁场中进行同步测量,极大地消除了环境噪音的干扰。最终,他们测量能级变化的精度达到了百毫赫兹级别,比以往的实验精确了约100倍!
◆ 03 1000倍偏差!宇宙在标准答案上画了条歪线
当科学家们将极其精确的测量数据绘制在一张名为“金氏图”(King Plot)的图表上时,令人震惊的一幕发生了。
根据标准模型,这张图上的数据点应该完美地连成一条直线。然而,实验结果却显示出一条明显的曲线——数据点偏离了理论预测的直线,其统计显著性高达约1000个标准差(~1000σ)!
1000个标准差是什么概念?这好比你连续抛硬币几百次,结果每次都是正面。这种事情发生的概率低到令人发指,你绝不会认为是巧合,而会坚信这枚硬币一定有问题。同样,这个1000σ的信号强烈地暗示着:我们的理论模型,可能出问题了!
◆ 04 先别开香槟!是新物理,还是“旧账”没算清?
那么,这是否意味着我们已经发现了“第五种力”?
“我们还不能说我们发现了新物理。” 克雷克教授谨慎地表示。
研究团队发现,这个巨大的偏差,虽然不能用已知的最主要效应来解释 ,但有可能源于一个我们了解甚少的标准模型内部效应——核极化(nuclear polarization)。
这是一种原子核因受到电子影响而发生微小形变的现象。目前的计算表明,这个效应有可能解释观测到的异常,但其理论本身还存在很大的不确定性。
简单说,我们发现了一条弯曲的铁轨,但这究竟是一辆“新火车”(第五种力)压弯的,还是一些我们没算清楚的“铁轨维护问题”(核极化)导致的,目前还无法下定论。
◆ 05 悬念升级!为终极理论设下“天罗地网”
尽管如此,这项研究的意义依然是里程碑式的。
通过这次史无前例的精确测量,研究团队为这个假想中的新力能够有多强,设下了迄今为止最严格的限制。这就好比为搜捕逃犯划定了一个更小的包围圈。
“我们目前正在测量钙同位素的第三个能量跃迁,”研究团队的博士生卢卡·胡伯(Luca Huber)说,“我们希望能克服理论上的挑战,在寻找新力的道路上取得更大进展。”
从1000倍标准差的惊人异常,到对“第五种力”设下的天罗地网,这场物理学的顶级悬疑大片才刚刚拉开序幕。宇宙最深处的秘密,或许就隐藏在下一次更精确的原子“心跳”之中。
参考文献:
[1] Wilzewski, A., Spieß, L. J., Wehrheim, M., Chen, S., King, S. A., Micke, P., ... & Schmidt, P. O. (2025). Nonlinear Calcium King Plot Constrains New Bosons and Nuclear Properties. *Physical Review Letters*, 134(23), 233002.
[2] Hanks, M. (2025, July 11). An Unknown ‘Fifth Force’ May Explain a Baffling Physics Mystery—These Researchers Have a Bold New Plan to Uncover It. *The Debrief*.
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