宇宙基石未现裂痕，科学家将泡利原理测试精度推向极致

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如果物质世界的基石突然松动，会发生什么？

按照量子力学的规则，构成我们身体的原子、脚下的土地，本应因为电子的“拥挤”而坍缩。

幸好有泡利不相容原理。

这个原理规定，两个相同的费米子不能处于完全相同的量子状态。

它就像物理学中的“社交距离法则”，支撑了物质的稳定性。

最近，科学家们对这条铁律进行了最严苛的审查。

结果显示，这条法则依然坚不可摧。

这项研究来自VIP-2实验合作组。

他们在意大利的格兰萨索国家实验室进行实验。

这里是世界上最大的地下实验室之一。

厚厚的岩层屏蔽了宇宙射线的干扰。

科学家们关注的是铜原子内部的电子。

按照泡利原理，如果一个原子轨道已经被电子占据，其他电子就不能再挤进去。

但是，如果泡利原理被违反了呢？

电子就会跃迁到原本“禁止”的轨道上。

在这个过程中，它会释放出特定能量的X射线。

这就是科学家们寻找的“ smoking gun”（确凿证据）。

为了提高捕捉到这种信号的几率，团队使用了一种巧妙的方法。

他们向铜靶中注入了大量“新”电子。

这被称为“开放系统配置”。

为什么要用新电子？

因为在封闭系统中，量子力学可能会通过复杂的相互作用掩盖违反效应。

引入新电子，就像在平静的水面投入一颗石子。

这能让实验更直接、更干净地测试泡利原理。

他们使用了低噪声的X射线探测器，对铜靶进行了长达数年的监测。

结果令人惊讶又在意料之中。

他们没有发现任何违反泡利原理的信号。

这让他们能够设定一个极高的精度上限。

违反泡利原理的概率小于 $2 times 10^{-43}$。

这是迄今为止，对原子系统中电子违反泡利原理现象的最强限制。

为什么我们要花这么大力气去测试一个几乎不可能错误的原理？

因为物理学的发展往往隐藏在“异常”之中。

目前的“标准模型”虽然完美，但并不完整。

它无法解释暗物质、暗能量，也难以兼容引力。

因此，物理学家提出了许多超越标准模型的“新物理”理论。

其中一些理论预言，泡利原理可能会在极小的尺度上失效。

VIP-2实验的结果，直接给这些理论划定了红线。

首当其冲的是“Quon模型”。

在传统量子力学中，粒子要么是费米子，要么是玻色子。

Quon模型则设想了一种中间状态。

它允许粒子稍微“调皮”一下，偶尔违反泡利原理。

VIP-2的数据表明，电子的行为非常标准。

这种“调皮”的程度被限制在极低的范围内。

Quon模型的生存空间被极大地压缩了。

此外，那些认为电子有内部结构的理论也受到了挑战。

如果电子不是点粒子，而是有更小的组成部分，泡利原理可能会减弱。

实验没有观察到这种减弱。

这暗示电子可能真的没有我们未发现的内部结构。

甚至一些试图统一量子力学和广义相对论的量子引力理论，也受到了牵连。

这些理论往往预言在极小尺度下，时空的泡沫会导致泡利原理失效。

现在的实验精度告诉理论家：你们的模型需要修改了。

任何试图超越标准模型的理论，都必须先过泡利原理这一关。

看到这样的极端实验，我们不禁要问：中国在这方面表现如何？

在基础物理的精密测量领域，中国早已不再是旁观者。

我们正在从“跟跑”向“并跑”甚至“领跑”转变。

虽然VIP-2实验主要由欧洲团队主导，但中国科学家在类似的极端实验中有着深厚的积累。

最典型的例子就是中国锦屏地下实验室（CJPL）。

它的岩石覆盖厚度达到了2400米，比格兰萨索实验室还要“深”。

这为探索暗物质、中微子等稀有事件提供了全球最干净的环境。

中国的PandaX（熊猫计划）和CDEX实验，就在这里寻找暗物质粒子。

这些实验对探测器的灵敏度和背景抑制能力，要求与VIP-2同样苛刻。

除了地下实验，中国还在原子物理领域发力。

中国科学技术大学等机构在“原子干涉仪”和“原子钟”方面处于世界前列。

这些技术同样是精密测量的核心工具。

例如，测量电子电偶极矩（EDM）也是检验标准模型的重要手段。

这和测试泡利原理一样，都是在寻找物理学大厦的裂缝。

虽然这次VIP-2的具体成果主要来自欧洲团队。

但中国科学家在精密测量技术和实验方法上的进步，让我们具备了挑战类似极端难题的能力。

我们在基础科学领域的投入正在开花结果。

VIP-2实验的结果发表在2025年11月的《科学报告》上。

这并不是终点。

科学探索总是在逼近极限的路上。

合作组已经在规划下一代实验：VIP-3。

他们的目标是将测试灵敏度再提高一个数量级。

如果到时候还是找不到违反现象，那将更加有趣。

这意味着我们的宇宙在微观层面遵守着一种近乎完美的秩序。

这种秩序背后，或许隐藏着更深层的物理法则。

对于我们普通人来说，这些实验似乎离生活很远。

但正是这些对“毫厘”之争的执着，定义了人类认知的边界。

每一次精度的提升，都是人类理性的一次胜利。

它告诉我们，无论宇宙多么神秘，我们都有能力去读懂它的规则。

哪怕是用最笨的办法，去守候一个可能永远不会发生的X射线。