繆子并非象最出色物理模型預(yù)測的那樣自旋，原因何在？可能是由于全然未知的亞原子粒子在量子泡沫存在形式下的忽升忽滅。

這可不是科幻中所描繪的技術(shù)，這是經(jīng)過實(shí)實(shí)在在的實(shí)驗(yàn)并得到驗(yàn)證的結(jié)果，是宇宙原本的樣子，它意味著人類對它還沒有全面了解。

這些相當(dāng)有意思并可能改變已知物理規(guī)則的結(jié)果來自費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室。這家實(shí)驗(yàn)室位于伊利諾斯的高能粒子加速器中心。這個實(shí)驗(yàn)室還做了許多不同類型的實(shí)驗(yàn)，其中之一就是繆子 g-2（注：“g 減 2”），用以檢測稱作繆子的亞原子粒子。

繆子與電子類似，比如：具有負(fù)電，自旋方式與電子的也相同（注：自旋方式是粒子的一項基本特性，在磁矩中非常重要），但繆子的質(zhì)量卻是電子質(zhì)量的200倍。

運(yùn)用我們已知的亞原子知識，即：標(biāo)準(zhǔn)模型，物理學(xué)家可以預(yù)測繆子的許多行為，例如：一個自旋帶電粒子具有磁性能，與之相關(guān)的就稱作磁矩，而磁矩用以描述其磁場強(qiáng)度與方向。如果把一個繆子放在磁場中，繆子就會經(jīng)歷那種稱作進(jìn)動的搖擺，這一點(diǎn)從物理學(xué)角度看，與在桌上旋轉(zhuǎn)的玩具陀螺非常類似。

這一模型對這一進(jìn)動的預(yù)測極其精準(zhǔn)，完美至極。物理學(xué)家給它賦予了一個稱作g-因子的值，這個數(shù)值非常接近2、但并不是精準(zhǔn)的2。

后面要介紹的內(nèi)容開始變得更加有趣味了：在宏觀世界，我們總是認(rèn)為空間是光滑的、是連續(xù)的；但是在量子世界，一個尺度相當(dāng)小的世界，如10-35米尺度大小，量子力學(xué)認(rèn)為空間不再是連續(xù)的、也不再是光滑的，反而空間是離散的，好象曲線表上標(biāo)注的若干“點(diǎn)”那樣，這就是說：在量子尺度上，空間并不“空”，反而充滿能量的沸騰與發(fā)泡。

有時，這種能量會自發(fā)產(chǎn)生一對亞原子粒子，這是緣于質(zhì)量與能量就是一枚硬幣的兩種表現(xiàn)方式，E就等于mc2。這些粒子跳出來從而存在；但是同一量子世界的法則又需要這些粒子馬上相互結(jié)合、再次轉(zhuǎn)為能量形式，復(fù)原到真空能量中。這一過程稱作量子泡沫。

量子泡沫的示意圖：1cm的“千億億億”分之一大小范圍的能量消失，轉(zhuǎn)化為粒子，忽近忽出。提供者：NASA/CSC/M. 維斯

在磁場中繆子的自旋受到量子泡沫的影響：假使沒有量子泡沫，g-因子的數(shù)值會非常接近2；但是由于粒子反復(fù)的忽進(jìn)忽出，已經(jīng)影響到繆子的搖擺；這也稱為異（反）常磁矩，即：與磁矩值g（2）的差值。

基于所有已知力與已知粒子的知識，標(biāo)準(zhǔn)模型對這一異常磁矩數(shù)值做了一個推算，結(jié)果應(yīng)該算是非常準(zhǔn)確。但是，能夠確認(rèn)這一數(shù)值的準(zhǔn)確度還是很必要的，這也是繆子 g-2實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)所在。這個實(shí)驗(yàn)將繆子射入一個非常穩(wěn)定的磁場，測量其搖擺性，用以與預(yù)測值做對比。如果兩者一致，我們就會了解量子力學(xué)的宇宙行為。

如果兩者不一致，豈不是也很有意義嗎？

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室所做的繆子 g-2 實(shí)驗(yàn)：中心環(huán)形磁鐵提供穩(wěn)定的磁場，繆子在其中自旋。提供者：費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室/瑞達(dá).哈恩.

標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測繆子的這一異常磁矩數(shù)值應(yīng)該為 0.00116591810（±0.000 000 000 43， 正如我所說，非常準(zhǔn)確）。

最新實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為：0.00116592061 （±0.000 000 000 41）

兩個數(shù)值不同，但是差異很小，肯定地說只有0.000 2%。但是，這兩個數(shù)值應(yīng)該完全一致，而事實(shí)卻非如此。

這一細(xì)小的差異卻有很多意義：這意味著在量子層面，還有一些力或粒子不為我們所了解！

或許，這就像是給我們填些小麻煩那樣：實(shí)驗(yàn)結(jié)果還達(dá)不到統(tǒng)計學(xué)上“確認(rèn)”的標(biāo)準(zhǔn)，或許是由于隨機(jī)概率造成，就像擲硬幣，如果三次都是面沖上，你就會以為硬幣被做了手腳，但從統(tǒng)計上說這樣的隨機(jī)事件有八分之一的幾率；你擲幣的次數(shù)越多，面沖上的次數(shù)就多，而隨機(jī)率或隨機(jī)性就小。

圖三?費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，由強(qiáng)磁力環(huán)驅(qū)動而被加速的質(zhì)子以超高速在直徑約一公里的圓環(huán)內(nèi)運(yùn)動周轉(zhuǎn)，然后被送入繆子 g-2的目標(biāo)站;在此，它們與一個目標(biāo)碰撞，產(chǎn)生繆子，這些繆子隨后被射入一個穩(wěn)定的磁場，進(jìn)行研究。提供者：費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室

科學(xué)家用了一個叫做西格瑪?shù)男g(shù)語來表述這種幾率。粒子物理實(shí)驗(yàn)的黃金規(guī)則是這樣說的：如果說一個實(shí)驗(yàn)達(dá)到5個西格瑪?shù)乃?，這就意味著其隨機(jī)性的產(chǎn)生只有3百萬分之一，或者也可以說此數(shù)值以99.99997%的幾率為真（一個西格瑪?shù)膸茁蕿?8%，二個為95%，三個為97%，逐漸接近100%）?？娮觛-因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果只有4.2個西格瑪，意味著由于隨機(jī)噪音帶來的幾率是38,000分之一。

當(dāng)然，這一99.997%的幾率并不是由于隨機(jī)幾率造成，這已經(jīng)是相當(dāng)好的吻合。只是對于物理學(xué)者而言，這個結(jié)果還不足以聲明“確認(rèn)”。好消息是工作還在繼續(xù)：實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行過三次，正在進(jìn)行第四次，第五次實(shí)驗(yàn)也已列入計劃?？茖W(xué)家已經(jīng)開始對實(shí)驗(yàn)初期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，截止目前已分析的數(shù)據(jù)是全部實(shí)驗(yàn)所獲得之總數(shù)據(jù)的6%。按照上述的邏輯，這就好像已經(jīng)擲出硬幣若干次，得到了相當(dāng)不錯的數(shù)據(jù)，但還要繼續(xù)更多次拋出硬幣以確保結(jié)論的可靠性。

如果剩下的數(shù)據(jù)與目前的觀測一致，那么最終結(jié)果肯定會超過五個西格瑪。如果的確如此，這就是說宇宙是相當(dāng)不可思議，它所具有的神秘性遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于量子力學(xué)所能告訴我們的，這其實(shí)也就是說我們的宇宙是相當(dāng)神奇的。

如果你希望得到圖示說明，喬治.單的動畫可以為你提供相關(guān)信息。

所以，這一發(fā)現(xiàn)會非常令人振奮：標(biāo)準(zhǔn)模型相當(dāng)成功，如：它預(yù)測了希格斯玻色子的存在，這一粒子是幾年前剛被發(fā)現(xiàn)的；但是我們也知道這個理論有缺陷或遺漏，還有些情況甚至沒有被預(yù)測。因而，繆子在磁場中的發(fā)泡、自旋與搖擺的現(xiàn)象也正向我們招手，令我們沿著此路繼續(xù)研究，指引我們走向了還不了解甚至無知的新物理學(xué)領(lǐng)域。

這就是每一位粒子物理學(xué)家的夢想。一旦實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論，我們倍感舒暢，因?yàn)檫@就證明我們已經(jīng)歷的研究路線是正確的。

然而，走向未來的路又將如何？

BY: Phil Plait

FY: 周洪波

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