【最新研究】物理學將被改寫?新的研究強烈暗示了存在超出人類認知的未知粒子

薛定諤的貓 2021/04/13 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

對於一個科學理論而言,即使有1萬次實驗結果都符合該理論的描述,也不能證實它是絕對正確的,而僅僅只需1次實驗結果不符合該理論的描述,就可以證明它是有錯誤的,該理論就需要改寫,甚至還可能被直接否定,這就是科學理論的可證偽性。

2021年4月7日,一項發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)的研究論文顯示,來自費米實驗室的科學家發現,一種被稱為「μ子」的基本粒子在磁場中的表現與現有的物理學理論所描述的結果出現了不可忽視的差異。

科學家認為,這項新的研究強烈暗示了存在超出人類認知的未知粒子,如果該研究結果得到進一步的驗證,那就可以算是物理學重大發現,而這也就意味著我們現有的物理學將被改寫。

這項新的研究發現了什麼?

如上圖所示,μ子是粒子物理標準模型中的一員,它和電子一樣都是屬於帶負電的輕子,不同的是,μ子的平均壽命極短,僅為2.2 x 16^-6秒,並且μ子比電子要「胖」得多,其品質大約為電子的200倍。

根據量子力學,自旋是基本粒子的一種內稟性質,μ子當然也不例外,我們可以簡單地將其理解為一個旋轉的小球,而由於μ子帶負電,因此它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實驗來進行測定,也可以通過公式「μ = gs(e/2m)」來進行描述,其中s為粒子自旋,e為粒子電荷,m為粒子品質,g則是一個待定的常數,科學家將其稱為「g因數」,而問題就出現在這個「g因數」上。

根據經典物理學的計算,「g因數」應該嚴格地等於2,但通過實測資料得出的「g因數」卻總是與2這個值存在著偏差,為什麼呢?

量子場論對其進行了解釋,根據該理論的描述,真空中會不斷地激發出虛粒子,這些虛粒子在極為短暫的時間內又會湮滅,正是這些虛粒子與基本粒子發生了相互作用,從而造成了通過實測資料得出的「g因數」出現了偏差。

在此次研究工作中,科學家利用質子撞擊製造了數以億計的μ子,並將其注入一個直徑達15米的超導磁環,隨後讓它們以接近光速的速度在磁環中運行。在這個過程中,通過精密的測量儀器,科學家採集到了海量的資料。

在超級電腦的説明下,科學家得出第一輪資料的分析結果,即:μ子的「g因數」為2.00233184122,而根據量子場論計算出的理論值卻是2.00233183620。可以看到,這兩者之間存在著不可忽視的差異。

這是因為測量或者計算不夠準確嗎?答案是否定的,其實此次研究的精度非常高,而在相關的計算中,科學家也充分考慮了人類認知范圍內的所有物理過程。

實際上,科學家在實驗中也用同樣的方式對電子進行了測量,通過實測資料得出的「g因數」為2.002319304361,而理論值則為2.002319304362。可以看到,這兩者是高度吻合的。

那這是什麼原因造成的呢?科學家認為,這有兩種可能,一是現有的物理學理論出了問題,二是有某種超出人類認知的未知粒子對μ子產生了影響,考慮到現有理論計算出的理論值與電子的實測資料高度吻合,因此我們應該更傾向於後者,畢竟μ子比電子「胖」得多,更容易受到未知粒子的影響。

物理學將被改寫了嗎?

由於此次實驗結果的精度為4.2σ(意思就是因為不確定因素而出錯的概率大約為4萬分1),而在物理學中,一項實驗結果的精度必須達到5σ以上,才可以達到「物理學重大發現」的標準,因此現在只能說這項新的研究強烈暗示了存在超出人類認知的未知粒子,暫時還不能給出確定的結論,至於物理學會不會改寫,還要看後續的研究。

根據費米實驗室的介紹,目前這項研究的第二、三輪資料正在分析之中,而第四輪和第五輪的實驗也正在按照計畫實施,預計實驗結果的精度將在後續的研究中得到提升,從而達到5σ以上。也就是說,在不久之後,這個問題的答案就可以揭曉,讓我們拭目以待吧。

 

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