意外:基本粒子竟然是完美球形,深水核彈炸翻一片走紅的物理學說

基本粒子有電子與中子、質子等。這些粒子是什麼形狀呢?人們會想當然地回答:當然是球形吧。就象太陽月亮等天體一樣,球形是這個宇宙最天然最實用的形狀。這些小粒子想必也不會例外。

回答正確。基本粒子確實是球形的。

但僅此還不夠。一個球,遠看是球形,但在放大鏡下面,就可以看到上下起伏凹凸不平的表面了。月亮在我們眼裡當然是球形,但在天文望眼鏡下就十分粗糙了,到處都是坑坑窪窪的山谷洞穴。

在科幻小說《三體》裡,有一個讓人印象深刻的情節:三體人制造的水滴採用了強核力來連接水滴的表面分子,其強度遠超地球所有的材料。其表面的光滑度更是驚人,哪怕放大到原子級別,仍然看不到了一點 點的粗糙。這就是製造工藝到了絕頂水平的體現。

那麼在現實製造工藝中要得到完美的球形難不難?

答案是非常難。

有一家研究機構,為了要將一個球體打造成完美的圓球,使用了前蘇聯用來提煉鈾、製造核武器的離心機。然後這些高純度的硅片被運到德國國家度量衡研究所經過6次試驗後終於將這些硅片製成硅晶體。

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隨後它們又被運到澳大利亞,在這裡它們經過世界上手藝最好的光學器械工程師

和最好的設備打造之,成為了世界最圓的物體。 整個球體耗時5年,耗資千萬美元。

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可見,一個完美球體造起來真不容易。

那電子與中子質子這樣的基本粒子,離完美的球形差多少呢?事實令人驚訝。

在2013年,哈佛大學的冷分子電子電偶極矩實驗(ACME)對電子的球形形狀做了目前為止最為精確的測量,發現電子的電偶極矩小於10^-28 ecm,ecm是電子電荷量乘以釐米,是一個量度正負電荷偏離程度的單位。當然這種描述不太好懂。

ACME團隊成員,耶魯大學的David DeMille做了另一個類比:如果把電子擴大到地球大小,它的形狀與完美球形的偏差,就相當於把球頂部的10納米薄片削下放到球底部一樣。

如果這個比喻還不夠,那就想像一下,把一片樹葉從太陽那樣大的球體上面挪到下面。這個球體會有什麼改變嗎?

與此同時,美國橡樹嶺國家實驗室對中子做了一系列實驗。實驗室還用nEDM實驗檢測中子,使其精度又提高了100倍。實驗裝置安放於超流氦中,這使得實驗團隊可以降低中子的速度,並增強施加在中子上的電場,從而大大提高觀測到中子偏離球形的幾率。只要它的確不是完美球形的話,那實驗立刻就能在極大的精確度上發現這一點。結果同樣令人拜服:在萬億分之一的級別上都是完美的球形。

倫敦帝國理工學院的物理學家喬尼·哈德森帶領的研究小組對電子的形狀進行了迄今最為精確的測量,這個小組通過測量電子在電場中的晃動情況來倒推其圓度,晃動越小,電子就越圓。實驗中,他們將電子與氟化鐿分子“綁定”,然後施加電場,並用激光束進行測量,每次測量耗時僅千分之一秒。

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研究小組對電子共進行了2500萬次測量,耗時整整3個月時間。結果發現,電子在電場中沒有任何晃動跡象,這證明電子比此前研究認為的要圓。最終的結論是:即便在10

-27釐米的精度上,電子仍然是完美的球形。如果將電子放大到太陽系的尺度,其圓度的偏差甚至小於人類髮絲的寬度。

哈德森表示,他們將對設備加以改進,希望能在未來數年內對電子進行更精確的測量。“如果我們的精度能進一步提高,就可以很確鑿地驗證或淘汰超對稱性理論了。”因為電子是完美球形這一結論對超對稱性理論提出了挑戰,歐洲大型強子對撞機實驗中所“發現”的某些超對稱粒子可能並不存在。

為什麼電子是完美球形會證偽超對稱理論呢?

基本粒子的完美球形,與現有理論預測結果並不相同,對於科學家來說有著重大影響。根據粒子物理標準模型的預測,電子是非常接近球形的橢圓形狀,這種變形輕微到不可測量,因而可忽略不計;而在超對稱性理論要求基本粒子必須是橢球形,因為每個粒子都有一個比自己重的“同胞兄弟”。如果粒子是完美球形,就無法做到這一點。僅此一點,超對稱理論已經面臨著危險。

科學家一直試圖對電子的圓度進行更加準確的測量,因為電子出現任何拉伸變形的跡象,都可能預示著重大發現,揭示出自然界中可能存在的未知粒子,甚至解釋宇宙為什麼由物質而非反物質構成。

美國密歇根大學的亞倫·萊昂納特評價說,這項研究工作最終可能有助於解釋宇宙的結構,提供了一個瞭解“宇宙高能精髓”的窗口。

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從外觀上看,橢球形和球形相差無幾,但在物理學研究中卻有著天壤之別。一旦這一結論被進一步證實,現有的許多理論或將推倒重來,這無異於扔下了一枚核彈,在物理學研究領域導致了一場天翻地覆的大地震。

很多理論將會在這場大地震裡被推翻,後來者會在此基礎上建立起新的理論,來解釋這個神秘的宇宙。科學歸根到底,就是這樣進步的——不斷的質疑,不斷的推翻重建。


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