人類已停滯百年的基礎物理學，可能即將迎來重大突破
時間：2023-08-23 09:26:07
基礎物理學是其他自然科學的基礎，也是人類科技進步的源泉，但在過去的近百年時間里，人類的基礎物理學一直沒有什么大的進展。
不過這樣的情況或許發生改變了，根據費米實驗室傳來的消息，人類已停滯百年的基礎物理學，可能即將迎來重大突破，因為宇宙中的第五種力可能要被發現了，怎么具體回事呢？這要從微觀世界中的電子開始講起。
(資料圖片)
在粒子物理標準模型中，電子是一種基本粒子，它是存在自旋的，我們可以簡單地理解為，電子會不停的旋轉，而由于電子是帶電粒子，因此它們的自旋就會產生一種被稱為“磁矩”的物理量。
基本粒子的磁矩可以通過“μ = gs(e/2m）”來進行描述，其中μ、s、e、m分別代表基本粒子的磁矩、自旋、電荷和質量，g則被稱為“g因子”，由于基本粒子的磁矩、自旋、電荷和質量都是可以直接測量的，因此通過實際測量的數據，就可以計算出基本粒子的“g因子”的具體數值。
實際上，科學家確實也這樣做了，在過去的研究中，科學家通過對電子的大量實測數據計算出，電子的“g因子”數值是，隨后就遇到了一個問題，要知道“g因子”也可以通過理論來直接計算，而根據經典物理學的計算結果卻表明，電子的“g因子”數值應該不多不少地等于2，也就是說，實際測量的結果與理論值出現了很大的差異。
為什么會出現這樣的現象呢？科學家在深入研究后得出的結論是：這應該與量子力學中的虛粒子有關。
簡單來講，根據量子力學中的不確定原理，宇宙中的能量會不斷地出現極為短暫的漲落，進而持續地激發出虛粒子，而這些虛粒子總是會成對地出現，然后在極為短暫的時間消失。
因為這樣的情況在宇宙中無處不在，即使是在真空中也會持續出現，所以在此過程中，這些虛粒子就有可能與基本粒子發生相互作用，進而造成實際測量的結果與理論值存在著一定的差異。
科學家隨后根據量子力學中的相關理論，對“g因子”的計算方法進行了修正，并根據新的計算方法計算出電子的“g因子”的理論值為，可以看到，這個數值與前面提到的實際測量的結果差異極小，可以說兩者基本上是一樣的。
時間來到2021年，在這一年里，費米實驗室使用了μ子的實測數據來對“g因子”的理論值進行驗證。
簡而言之，μ子也是一種基本粒子，它的自旋和電荷與電子相同，但質量卻是電子的大約200倍，所以μ子也常被人們戲稱為“胖電子”。
在實驗過程中，研究人員通過質子撞擊的方式制造了數億個μ子，這些μ子被注入到一個直徑約15米的環形真空管道中，并通過磁場將其加速到接近到光速，在此過程中，研究人員就可以通過精密的探測器來測量到它們在磁場中的旋轉角度、運動狀態等具體數據，進而根據這些數據計算出其“g因子”的數值。
根據預先的設想，基于μ子的實測數據計算出的“g因子”，其數值應該與理論值非常接近，就像電子一樣，但實驗結果是令人意外的，因為μ子的“g因子”的理論值應該是，而根據此次實驗的實測數據計算出的結果卻是，兩者之間存在著不可忽視的差異。
這又是為什么呢？考慮到此前基于電子的實驗結果與理論值高度吻合，因此測量的方式方法和理論值的計算方法都可以認為是沒有問題的，所以一個合理的解釋就是，有一種未知的力量或粒子影響了實驗的結果。
更重要的是，根據現代物理學的相關理論，如果這種“未知的力量”真的存在，那它就不屬于宇宙中的四大基本力（即引力、電磁力以及強、弱相互作用力）中的任何一種。
正因為如此，科學家才認為，此次實驗可能發現了宇宙中的第五種基本力，由于此次實驗結果的標準差只達到了σ，大概意思就是因不確定因素導致判斷有誤的概率只有幾萬分之一，而在物理學中有一個“5σ準則”，意思就是說，只有達到了5σ才可以認為是“發現”級別，所以此次實驗結果只能說是“可能”發現了宇宙中的第五種力，而不是確定的結論。
不過在接下來的時間里，費米實驗室并沒有停止這項實驗，相關的研究工作也一直在進行之中，在2023年8月，費米實驗室公布了實驗第二年和第三年的全部實測數據，其中最新一輪的數據量更是相當于第一輪的4倍，而實驗的精度也提升了一倍。
費米實驗室表示，在后續的研究工作中，研究人員將會完成對這個龐大的數據集的分析，預計在2025年之前給出結果，如果屆時的標準差達到或超過了5σ，那就意味著我們可能發現了宇宙中的第五種力，也可能發現了一種全新的粒子，而停滯百年的基礎物理學，也將因此迎來重大突破。不得不說，這確實是一件令人期待的事。
