μ子，造物理的反！
2021/4/22 22:09:35 量子学派
01
μ子的“异动”
一种叫μ子的亚原子粒子，开始造物理世界的反。
4月7日，美国费米实验室发表一个实验结果：
一种叫μ子的粒子在磁场中表现出来的行为与“基本粒子标准模型”预言的结果有所差别。
缪子进动示意图
这是什么意思呢？
相当于有一种元素的出现违背了“元素周期表”。
有一种物体的运动违背了“牛顿三大定律”。
有一种电子的运动违背了“薛定谔方程”。
只不过，μ子是在亚原子的微观世界表现异常。
你可以把“基本粒子标准模型”看成微观世界的“牛顿三大定律”。
而μ子则是微观世界的运动物体，它也是要遵循标准模型的。
如果你在打乒乓球时，发现球竟然与牛顿力学相忤逆。
一定会害怕、激动得发抖。
这就是物理学家的兴奋的原因!
图注：缪子储存环 图源：费米实验室
μ子的“异动”，预示着很可能存在超出标准模型的新物理，该结果发表在了国际著名物理期刊《Physical Review Letters》上。
02
物理世界的“新窗口”？
宏观世界的低速运动由“牛顿三大定律”主宰，谁也不可违背。
高速运动则由爱因斯坦的“广义相对论”镇守，万物都要遵守。
亚原子世界同样存在金科玉律，那就是“基本粒子标准模型”。
最初，量子力学将电子运动用薛定谔方程描述，完美描述了“电子云”。
后面更多微观细节，也是由此推导出来。
简单讲，“基本粒子标准模型”根源于量子场论。
量子色动力学的真空涨落
“基本粒子标准模型”预言62种基本粒子的存在。
其中61种粒子被一一证实,2013年最后一种基本粒子——“上帝粒子”被发现后，“基本粒子标准模型”被视为人类最伟大而正确的理论之一。
但如果μ子突破了这个框架，那么意味着人类止步不前的基础物理可能有新的突破，也预示着打开了一扇新的窗口，说不定能发现一个全新的物理世界。
物理世界，已经停留了太长时间了。
在追求终极真理的这条路上，人类几乎停滞了。
03
从创世说起
一切回到宇宙本原，重新来思考物理学的一切。
宇宙是从什么时候开始的呢？现代科学普遍接受“宇宙大爆炸”理论，英文叫做Big Bang!
“哈勃红移”和“宇宙微波背景辐射”这两大实验数据支持了这一理论：宇宙就是源于一个大爆竹。
当然你可能会问，那爆炸之前是什么呢，点燃爆炸的人又是谁呢？
这些问题属于哲学的范畴，不属于科学的领域，如果一定要死嗑这个问题，牛顿会用“上帝是第一推动力”来忽悠你的。
创世的刹那，开始于10E^- 43 秒……(10的负43次方秒，也称为普朗克时间，人类已知的最小时间存在。普朗克时间=普朗克长度/光速。光速定义值：c=299792458m/s=299792.458km/s。)请注意了，这是一个定义值，而不是一个测量值。
创世时间表：
10E-43秒，十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。六维宇宙崩溃，缩成10E-32公尺。四维宇宙(我们今天所在的宇宙)则迅速爆炸，此时的温度高达10E32(10的32次方)度；
10E-35秒，大统一作用力崩解；
10E-9秒，电弱对称崩解，此时的温度是10E15度；
10E-3秒，夸克开始凝聚，中子与质子出现，此时的温度是10E14度；
3分钟，质子与中子开始凝聚成稳定的原子核；
30万年，电子开始凝聚在原子核周围，第一个原子出现；
30亿年，第一个似星体(quasar)出现;
50亿年，第一个星系出现；
100～150亿年，太阳系诞生，又经过数十亿年，地球上出现了第一个生命。
不管你信不信，这是目前已经成为众多科学家普遍共识的创世时间表。
表中所述的那个数量级上的时间、长度、温度等等所有的数值，没有任何一个是可以直接测量的，因为目前咱们人类的技术和工具水平，还远远不能企及到那个数量级。
但是，人类的天才们做到了——这个时间表里面的每一个数字的背后，都是一堆严密的公式和演算，都是无数的物理学家和数学家呕心沥血的结晶。
04
物理学的最前沿在哪里？
回顾宇宙极简史之后。
现在要问的是，物理学最前沿的研究领地在哪里？
两千年来，科学家已经发现我们宇宙的所有现象，都可以简化成四个作用力：
1、电磁力：包括电力、磁力和光本身，属于长程力。
2、强核力：是夸克之间的吸引力，由胶子传递。
3、弱核力 ：弱核力左右了部分放射性物质的衰变形态，造成β衰变。
4、引力：由引力子传递，与质量成正比，距离成反比。
谁构建了“大统一理论”，就可以解释万事万物。
所以构建“大统一理论”，是所有顶尖科学家的梦想。
大统一理论思路图
统一了这四种自然力，人类能够改变时空结构，了解宇宙万物来龙去脉，让物质变得井然有序。任意地组合与改变粒子，制造出前所未有的物质形态。我们甚至能左右空间的维度数，成为宇宙真正的主宰。
05
几种最前沿的理论
No.1
超重力理论，十一维空间统合四种作
用力
统合量子理论和引力，以创造出一个“大一统理论”，这个问题挫折了20世纪最聪明的心智，包括爱因斯坦、海森堡等等一众科学界的巨擎。
1976年，纽约州立大学石溪分校的三位物理学家写下了超重力理论。这个理论对黎曼的“度量张量”模型进行研究，几乎实现了爱因斯坦统合已知作用力的梦想。
他们发现，在一个十一维的度量张量模型里，包含了自然界里几乎所有的粒子与作用力：
爱因斯坦的重力理论、杨-米场与麦克斯韦尔场、还有夸克与轻子。
(图中的括弧，代表一个十一维的黎曼度量张量场。如果把它简化成四维，就是爱因斯坦的重力场；提高它的维度数，我们就可以推导出麦克斯韦尔方程组和标准化模型；最终，在十一维度，统合了代表四种作用力的所有方程组。)
超重力理论虽然在模型上统合了四种作用力，但它的缺陷在于在很多关键节点上没有具体量化的数学模型和公式。
所以只能成为迈向宇宙统一理论漫漫征途上的一块铺路石。新的，也是最强大有力的物理学计划已经登场，它就是：超弦理论(Superstring Theory)
No.2
超弦，统合四种自然力
1968年，超弦理论被意外发现。当时，两位年轻的理论物理学家在欧洲核子研究中心(CERN)意外发现19世纪数学家欧拉完成的欧拉贝塔函数，竟然符合几乎所有描述基本粒子强交互作用所需的全部特质。
弦论可以用来描述引力和所有基本粒子，如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子，实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式，正如小提琴上的弦。
所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等，都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。
每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位，即普朗克长度(10E -33厘米)。
按照超弦理论，粒子并非是宇宙的基本元素，物理定律就相当于琴弦的合音定律。弦论博大精深，可以解释所有的自然基本定律。
如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海，那么基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐!弦，是能够储存大量数据的最精简的方式之一。
No.3
神秘天才“拉马努金”，确立十维
宇宙
超弦理论似乎包含了所有的物理学知识，极其广博精深。许多科学家认为这是21世纪的物理学，意外落入20世纪，但人类还没有发明21世纪的数学来精确描述它。
解开这个秘密的，是堪比当年黎曼的另一位数学天才拉马努金。他发现了一个重大秘密：
我们只能在二十六维与十维中定义弦论，否则就无法用弦论整合已知的物理定律。
拉马努金的研究成果包含了三册四百多页的笔记，其中包含了四千多个公式。后人在此基础上总结出了拉马努金模函数(Ramanujan funcation)，这是一个奇特的包含了高达二十四次乘幂的数学式。
这些数学式证明：
弦论只有在十维中才是自洽的。也就是说，产生我们现存宇宙的那个高维度宇宙，它的维度数一定是十!
No.4
M理论，物理学上最后的理论
1994年开始了弦论的第二次革命。创立者威滕等人认为，从11维的M理论可以找到手征性的起源。他们将M理论中的一个空间维数收缩成一条线段，得到两个用该线段联系起来的10维时空。
作为“物理的终极理论”而提议的理论，M理论希望能藉由单一个理论来解释所有物质与能源的本质与交互关系。其结合了五种超弦理论和十一维空间的超引力理论。
广义相对论没有对时空维数规定上限，在任何维黎曼流形上都能建立引力理论。超引力理论却对时空维数规定了一个上限——11维。更吸引人的是，已经证明，11维不仅是超引力容许的最大维数，也是纳入等距群SU(3)×SU(2)×U(1)的最小维数。
06
前沿权威：
基本粒子标准模型
然而，最权威的物理前沿理论，仍然是基本粒子标准模型。
它以“规范场论”为理论基础，脚踏实地地统一了三种力。
弦理论虽然描绘了从亚原子世界里夸克疯狂的舞蹈到太空中飞旋双星高雅的华尔兹，推理出从大爆炸的原初火球到星河的壮丽漩涡，但仍然被世俗之人认为是“空想科学的典型代表”。
规范场论示意图
从夸克、轻子、规范玻色子，以及希格斯玻色子的交互作用来看，“规范场论”是描述亚原子世界的最成功的物理框架，目前的实验结果和规范场论的标准模型符合得很好，它对电子与光子之间相互作用的预计精确到10E-8，这是史上最精确的理论，没有之一。
实验证明了理论的正确性，不管你相不相信“规范场论”，它现在就是粒子物理的基石。
也就是说，规范场论是微观世界的牛顿三大定律。
自然界中的基本相互作用几乎都是通过某种形式的规范场来传递的，并由此确立了当代物理学的一个基本原则：几乎全部基本力都是规范场。
那么，规范场论有可能实现爱因斯坦眼中的“大统一理论”？
量子规范理论实验图
我们可以用规范场论来寻找这个答案：
1、电磁力对应规范场论。是一种最简单的规范场论，与电磁作用相联系的群是阿贝尔群，数学大神外尔给出了漂亮解释。
2、弱核力对应规范场论。由杨-米尔斯理论引入非阿贝尔规范场论解决，核子同位旋对称性在数学上属于群, 是非阿贝尔群。
3、强核力对应规范场论。强子由夸克构成，夸克间的强相互作用由规范作用来实现，群也是非阿贝尔群。
真空对称性自发破缺
1967年，温伯格和萨拉姆将“对称性破缺”引入弱相互作用和电磁相互作用统一的模型上，提出了规范群结构，建立了弱电统一理论，这是一种规范场论。
量子色动力学
1973年，格罗斯、波利茨和威尔茨克建立了基于非阿贝尔规范场的量子色动力学。形成了与电磁力、强核力、弱核力有关的所有物理现象的标准模型。
也就是说，除了引力，“规范场论”统一了三种力。
另外，我们还能看到，引力场就是在局部广义时空坐标变换下协变的规范场论。这就不得不让人们想到：是否物理学的统一之路归于“规范场论”呢？
最终，“规范场论”的目标是建立了一个完美的粒子标准模型，描述亚原子世界的运动状态，要让肉眼凡胎看不见的创世粒子，都在这个标准模型下运转。
每一小方块内的基本粒子，例如夸克、电子、光子等，对应各自的质量、电荷、自旋属性。
直到今天为止，基本粒子标准模型是所有理论里最让人信服的，也是现在学院派共同遵守的理论，它就像化学元素周期表一样，是大家必须认可的共识。
化学元素周期表堪称是人类理解自然的少数几个巅峰。元素的原子核和外层电子呈现连续变化的简洁规律。
这几张图囊括了宇宙所有基本粒子、规律、元素的对应关系，加上初始条件，可以预测物质的路径和概率，解释粒子组合、化合反应、时空伸缩、星球转动。
07
为什么影响这么大
现在应该明白，μ子的“异动”为什么影响这么大了。
因为，它可能会推翻现代最权威的物理前沿理论。
这个物理前沿理论，直到今天为止都没有办法统一四种力。
同时，它又牢牢地控制着整个发展方向。
这让新一代的天才物理学家欲哭无泪。
60年了，再无获得共识的伟大的物理学理论问世；
60年了，也再无伟大的物理学家被奉为“灯塔”；
60年了，也再无激动人心的新人理论得到验证。
宇宙射线中的μ子
这是一个多么乏味的时代，如果μ子造反成功，物理世界可能为之一变。
那么暗物质、暗能量、万有引力这些“怪胎”，是不是可以纳入新的统一理论。
目前这个发现的精度为4.2个标准方差，这还不够。
对于精准的物理学家而言，一个斩钉截铁的发现要求精度达到5个标准方差以上。
漫漫长夜，曙光微现。
但愿μ子造反成功，人类重拾自己的“科学圣杯”。
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