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第五種力即將被發現?停滯100年的物理學,難道要有新突破了?
2023/09/15

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2023年8月10日,美國能源部費米國家實驗室宣布了在物理學界 備受期待的一項成果:物理學家對 μ子的一種 反常磁矩的特性有了 全新的測量結果比之前的測量結果精度提高了一倍。

一朵遮在現代物理學頭頂的巨大烏云因此測量結果,又被稍微撥開了一些。如果這個結果繼續不斷往下精確的話, 或許在不久的將來,人類將發現第五種力!這對我們意味著什麼?其實,這 不僅是物理學的巨大突破,更將為我們普通老百姓的生活帶來不可估量的影響。

但,對于與高深莫測的物理學距離甚遠的我們普通老百姓來說,要理解這個成果是非常困難的。什麼是μ子?它的反常磁矩又是啥?為什麼說對μ子反常磁矩的測量可以突破現代物理學?如果一切順利,預測成真,我們的生活又會迎來怎樣的變化?

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這都是我們關心的問題。往下看,給你一個最 通俗易懂的解答!

神秘的μ子與它的反常磁矩——第五種力的發現

要知道μ子是什麼,你得先了解 「基本粒子」的概念。隨著對物理學的研究越發深刻,人們逐漸發現構成世間萬物的,不是我們肉眼可見的最小物質,比如灰塵、沙子,而還存在 更小的構成因素,并且,每種不同物質的 構成因素及結構還各不相同。

于是,人們給這些構成物質的 最小或最基本的單位取了個名字—— 「基本粒子」。基本粒子 比我們更熟悉的原子、分子還要小得多,哪怕用最先進的電子顯微鏡也無法觀測到。根據參與的物理作用, 基本粒子被分為三大類:夸克、輕子和傳播子。科學家們一般要通過 粒子加速器,才能在粒子的碰撞中觀測到它們的性質。

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μ子就是基本粒子的一種,再細分,則是一種 輕子。在中文語境中,人們也稱它為渺子或繆子。其他常見的基本粒子,還有如Z玻色子、W玻色子、電中微子、電子等等。

說起電子,我們就又有了一點熟悉的感覺。 電子是人類最早發現的基本粒子,而你如果對物理學稍加了解,你就會知道這麼一句話——「一切原子都由一個帶正電的原子核和圍繞它運動的若干電子組成。」簡單地說,就是 原子核和電子組成了原子。用模型表示,就是這樣:

用電子與μ子對比,你能更容易理解μ子的存在: μ子和電子很相似,它們攜帶 相同的電荷,內部都有 自旋。μ子的質量比電子大200多倍,所以μ子也時常被看作是一種 重電子

打個比方,μ子和電子就像 兩個不斷旋轉的小球,但μ子比電子重得多。

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同時,μ子的 自旋讓其內部形成了磁力,因此μ子有著 磁矩。磁矩是一種物理量,用來描述載流線圈或微觀粒子的磁性。 通俗地說,μ子的磁矩就是μ子內部磁力的具象化、數字化。

既然是 由于自轉產生的磁力,那麼 μ子的磁性就會與其旋轉的性質有關,用術語說,這個旋轉的性質叫做「 角動量量子數」,簡單地理解,就是 μ子以何種方式、怎樣的速度進行旋轉的具象化、數字化。

為啥物理學要把什麼現象都搞個公式、搞個數字或者代號出來呢?很簡單,這是為了 方便進行計算,以進行某種 猜想,再 驗證各種猜想。畢竟,「 數學物理不分家」。

于是,在對μ子的 自旋磁矩自旋角動量的長期觀測中,科學家發現,它們的比值( 旋磁比)存在一定的規律,是一個 無量綱的常數

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,也就是說,列不出來公式,但可以用 字母g來表示這個比值,且這個比值應該是一個 規定的數字

1935年,科學家們測量出,μ子的旋磁比 g為2。但在1948年,這個結論很快被推翻,科學家們又得出了全新的μ子旋磁比 g——2.00238。雖然只與上一次的結果存在非常細微的差距,但也帶來了 量子力學的巨大進步

2006年,美國布魯克海文國家實驗室再次測量了μ子的g,得出了 理論上的g值:2.00233183608±0.00000000108。然而,在具體測量后,科學家們卻發現,理論與實際存在誤差, 實際上的g值應該為2.00233184160±0.00000000063。雖然是極其小的差距,但科學家們也 不敢馬虎,畢竟,上一次這麼小的差距,可是帶來了量子力學的巨大發展啊!

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于是,科學家們做了一個大膽的猜測:在背后引起μ子g值的微妙誤差的,極有可能是一種 人類從未發現的、全新的力

讓我們簡單分析一下,μ子的g值 為何會存在理論和實際的誤差?無非有這麼幾種可能性:第一,人類現有的 儀器水平已經不夠了,精確度已經無法滿足實驗需要;第二, 理論預測存在誤差,科學家可能需要更新理論;第三,如果人類的測量儀器和理論都已經達到極致,還存在誤差,那麼就只能是一種 全新的粒子或是作用力在影響實驗結果了。

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2021年,不斷對μ子g值進行測量的 美國費米國家實驗室在不懈努力后,公布了最近的數據:g值的 理論預測值為2.00233183620(±……86)實際測量值為2.00233184122(±……82)

而在2023年8月10日,也就是前不久,美國費米國家實驗室公布了更新的數據,稱比起2021年的數據來說,μ子 g值的精確度又提高了一倍。這意味著,新一種力,或是新一種粒子,或許正在漸漸朝我們揭開它們神秘的面紗。

第五種力為啥是第五種——前四種力是啥

第五種力的發現已經正在路上了,可你知道前四種力是啥嗎?其實它們離我們并不遠。自從牛頓被樹上掉下來的蘋果砸了頭,物理學界就陸續發現了幾種自然界中廣泛存在的基本作用力,它們分別是——

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電磁力萬有引力強力弱力,也就是第五種力的前四種力。

電磁力和萬有引力是我們日常生活中最常見的兩種力。我們為什麼可以走在路上而不飄起來?地球為什麼繞著太陽轉,月亮又為什麼繞著地球轉?都是因為 萬有引力的存在。而小至生活常識現象,大至火箭、衛星的發射升空甚至宇宙探索,都離不開 包含萬有引力在內的計算

電磁力也很常見,我們 進小區單元樓、學校門禁等的電子扣、磁卡鎖、制動器等就是電磁力學的最常見應用, 電動機、發電機、電磁波傳輸等,也都離不開電磁力的發現。還有當今社會人類出行必不可少的 磁懸浮列車,同樣是電磁力學發展后的結果。

強力和弱力對于我們來說相對陌生,因為它們比起萬有引力和電磁力來說更 微觀,在日常生活中

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難以被直接觀測到。強力又叫 強相互作用力,是四種力中最強的一種,甚至可以克服電磁力產生的強大排斥力,將質子和中子緊緊粘在一起。

弱力又叫 弱相互作用力,不過它 并不是四種力中最弱的的一種。它常作用在電子、夸克、中微子等微觀粒子間,制約著它們的放射性現象。

雖然強力和弱力看似在我們的生活中沒起什麼作用,但在量子力學中可大有作為。只有不斷對這些微觀粒子以及之間的相互作用力進行觀測,我們才能 一次次突破物理學的極限,達到更高的文明高度

自四種力的發現以來,第五種力是否存在成了物理學上籠罩的一大朵黑云。科學家們從不曾停止尋找第五種力的腳步,而μ子g值的理論與實驗誤差顯然帶來了 一束曙光

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第五種力將給我們帶來什麼?為什麼總是美國走在前頭?

如果有朝一日第五種力在μ子的g值中得到證實,我們的生活會迎來怎樣的變化?這顯然是最貼近我們身邊的問題。第五種力一旦被證實, 反物質也許會在我們的生活中常見起來。這意味著,無論是我們正在使用的 手機、電腦、私家車還是 區間車、飛機等,都將進入新的時代,數據傳輸會更快、運行速度也會更快,并且會更加輕薄、更加靈活,同時, 計算機和人工智能領域又將拉開新的帷幕,現在的GPT、AI,都是小兒科。

往大了說, 超光速的宇宙飛行器可能會被創造出來,屆時人類建立 月球基地、火星基地都成了小問題,到那時,人類將真正 飛出太陽系,用雙手去探索、觸摸宇宙,而非只憑借眼睛的視覺和大腦的想象、計算。

甚至,人類或許可以觸摸到 時間的秘密,進入 更高的維度——屆時,我們生活的變化,將是現在的人腦完全無法想象的。

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可是,看完全文,你或許又會有一個疑惑: 為啥美國占據了這麼多尖端科技的發展領域?為什麼總是美國發現新東西?我們不搞陰謀論,不討論這是不是美國進行的輿論戰,更不提是不是外星人幫助了美國,我們只從科學上說,那就是: 當今社會美國確實有著最強的經濟和科技實力。

盡管現在的中國已經 奮起直追,并有了許多 自食其力的科技成果,但要知道,新中國建立也才 不過80年不到,在這80年間, 中國從一個千瘡百孔的國家逐漸成長為世界首部的大國,從發展速度上來說早已是一個奇跡。所以,現今還在如量子力學等尖端領域缺乏設備和經驗的我們,追不上美國是合理的,但當然,也只會是 暫時的。

你期待第五種力的發現嗎?你覺得μ子g值中的誤差就是我們解開第五種力奧秘的鑰匙嗎?

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