原理 - 这个宇宙,本不该存在?

上一篇(左方向键) 下一篇(右方向键) 回目录(回车键) 粗体(B键)  正常(N键) 随机浏览(S键)   浏览次数:10    发布时间:2017/11/6 20:19:10   出处:原理   

  为什么反物质没有在时间之初毁灭宇宙的形成?这是现代物理学中最大的谜题之一。为了寻找物质和反物质之间的不对称性,科学家不断地改进实验方法和灵敏度。有的人专注于寻找反物质与物质之间极其微末的差异,有的人则专注于回答:电子,到底有多圆?无论是哪个实验,只要其结果与现在的认知有任何细微的偏差,都能够帮助我们回答为什么我们所身处的宇宙充满了物质,而不是反物质。但到目前为止,所有的实验结果都呈现出完美的对称性。

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  ○由物质组成的星系团MACSJ0717.5+3745。| 图片来源:NASA, ESA and the HST Frontier Fields team (STScI)

  有人说,事实有时比小说更奇妙。反物质,就很好的体现了这一点。1928年,自狄拉克在他写下的方程中预言了反物质的存在起,物理学家和科幻作家就对它充满了无限的好奇。

  如果有一天,你遇到了一个由反物质构成的“你”,千万不要触碰他/她,因为当物质和反物质相遇时,就会发生湮灭,化作一团能量。而物理学家预期,这样的一次大湮灭事件应该发生在约138亿年前。

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  ○当物质和反物质相遇时,会发生湮灭,所有的能量都会以光子的形式释放。| 图片来源:RealLifeLore/YouTube

  根据物理学最成功的理论之一——粒子物理学的标准模型(该理论描述了宇宙中所有已知的粒子)的预测,在宇宙大爆炸之后,应该有等量的物质和反物质被创造出来,这就意味着正反物质的相遇会导致湮灭的发生,从而毁灭了宇宙的形成。但结局很明显,物质赢得了138亿年前的那场宇宙级湮灭之战,因为我还在这里写这篇文章,而你此刻正阅读这篇文章。你、我、行星、恒星、星系……皆在。这是为什么?这个问题是现代物理学中最大的悬念之一。

  为了解释这个问题,物理学家假设,除了正反物质的电荷相反之外,它们之间必须存在着其它极小的差异。但无论这个差异是什么,都不会是它们的磁性

  欧洲核子研究中心(CERN)的反重子对称性实验(BASE)的物理学家,对反质子磁矩进行了迄今为止最精确地测量,发现它跟质子的磁距完全一样(除了拥有相反的符号)。这一让人“喜忧参半”的实验结果于10月18日发表在《自然》杂志上。令人欣喜的是,此次对反质子磁距地测量的精确度相比之前的测量要提高了350倍,要知道反质子的磁距是非常小的(比正电子的磁距小660倍),因此要精确地测量它是一项极大的挑战;而令人忧愁的一面,物质和反物质的完美对称,依旧暗示着这个宇宙本不应该存在,这迫使我们不得不重新思考这个问题。

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  ○在CERN的高架仓库里,六个彼此竞争的实验组都想成为第一个揭开反物质之谜的团队。| 图片来源:Nature

  对称性的又一次胜利

  先前,科学家已经对物质和反物质的质量和电荷等性质进行了一系列极其精确的测量,但均没有发现任何细微的差异。去年的时候,同样是在CERN进行的ALPHA实验对反氢原子的光谱进行测量,发现反氢原子的跃迁频率与普通原子的跃迁频率一致,这是研究人员耗费了20年的努力成果。而在不久前,ALPHA实验更进一步,发现反氢原子也产生著名的21厘米氢发射谱线,再次证明氢原子和反氢原子之间有着完美的对称性。

  但一直以来,质子和反质子的磁矩一直是科学家无法有效进行比对的方面,因为这很难做到。要对反物质进行观察和测量是非常棘手的,因为一旦这些反粒子与正粒子接触,它们就会消失。所以我们不能简单地将一束反质子送入实验装备中,还期望它们能表现良好,它们与任何普通物质接触时(如实验装置中的容器),都能导致它们被瞬间摧毁。因此,为了防止反物质与物质接触,物理学家必须创造出可以隔离反质子接触物质的“陷阱”,才有进行研究的可能。

  因此,在建造这一实验设备中,其中一项重要的挑战和研究就是如何开发出更复杂更完善的磁阱:在含有反物质粒子的磁阱中,磁场的细微不完美都能导致粒子泄漏;而在更完美的磁场里,粒子泄漏的可能性更小,反物质与物质被保持隔离的时间也越长。

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  ○BASE实验。| 图片来源:STEFAN SELLNER, FUNDAMENTAL SYMMETRIES LABORATORY, RIKEN, JAPAN

  早在十年前开始,BASE实验就开始试图实现这一目标。BASE是一个非常复杂精密的仪器,它能精确地测量质子和反质子的磁矩,并能侦测到两者之间哪怕极其细微的差别。而在此次的突破中,研究人员使用两个低温的彭宁阱(Penning traps),破纪录的将反质子困在里面长达405天。在这段时间内,研究人员可以将另一个磁场应用在反物质身上,迫使在粒子自旋中产生量子跃迁,从而可以对它们的磁距进行精确地测量。

  他们努力的研究结果表明,质子和反质子的磁矩完全相同:反质子的磁矩精确到小数点的后9位:-2.7928473441μN,质子的磁矩为2.7928473509μN,最后几位数的小小差别也是在允许的误差范围内。也就是说,假如质子和反质子的磁距真的存在差异,那么也将在小数点后的9位之外,而以我们现有的技术还不足以探测到这种差别。BASE实验结果再次验证了所谓的CPT对称性,这是一个非常重要的对称性,它依赖于粒子物理学的标准模型的基本假设。

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  ○CPT对称性指物理定律在电荷共轭(把粒子换成反粒子)、宇称(镜像中的世界)、时间反演的联合变换下保持不变。| 图片来源:Chad Ozel

  BASE的物理学家 Christian Smorra 表示:“所有的观测结果都显示了物质和反物质间的完全对称性,这也是为何我们认为宇宙根本就不该存在的原因。很显然,不对称必须存在,但我们却始终弄不明白这差异出在哪里。”

  答案,或许隐藏在电子的形状之中

  除了等待CERN的几个反物质实验的测量结果,有一些科学家则另辟蹊径。他们把目光锁定在我们所熟悉的电子的形状之上。自汤姆逊(J.J. Thomson)发现电子以来,科学家就一直在追问:电子到底有多圆?

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  ○如果我们能够发现电子的形状哪怕只有一点的不对称,或许就能够回答:为什么现在宇宙中充满了物质,而不是反物质。| 图片来源:Science

  在过去30年中,一系列越来越灵敏的实验显示,如果电子的形状存在着稍微的扭曲,那么扭曲的大小也将必须小于10-27毫米!现在,科罗拉多大学的实验天体物理联合研究所(JILA)的研究人员描述了一个截然不同的方法,或许能够在未来揭示电子的扭曲,并进一步减少不确定性。

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  ○如果电子有任何扭曲,其大小也必须小于10-27毫米。| 图片来源:Science

  如果电子的“蛋形”真实存在,将由所谓的电偶极矩(EDM)来量化。科学家通常认为电子是一个非常小、且均匀的负电荷球体,一个不为零的EDM意味着电荷分布不均匀,形成一个区域比粒子的平均电荷更带正电(+ +),而另一个区域更带负电(- -)。

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  ○一个不为零的EDM意味着电荷分布不均匀。| 图片来源:Science

  这看似微不足道的不对称性,却有着无比深远的含义,因为它违背了时间反演对称性(即无论时间是向前还是向后,物理过程都应该是一样的)。这不仅意味着描述已知粒子和力的标准模型有漏洞,需要一个包含比迄今为止所看到的更多的基本粒子的模型(比如超对称理论预测了还有许多等待被发现的粒子拥有更大的偶极矩);同时,这也意味着物质和反物质之间存在着基本不对称,从而解释宇宙中为何包含了更多的物质。

  有许多物理学家认为,宇宙中的超额物质暗示着电子的EDM“极有可能”存在。尽管我们依然不知道EDM的大小,但最广为接受的理论预言了它的大小应该是能够被探测到的。

  由于EDM能够导致一个电子的自旋轴在电场中旋转,因此理论上只要将电子置放在正极和负电极之间就可以探测到。但是由此产生的旋转力非常微弱,弱到电子在撞击到正极之前几乎不会开始转动。

  科学家通常通过研究某些中性原子和分子内的电子来绕开这个问题。他们对原子或分子束进行探测,以寻找某些电子摇摆的迹象,即EDM的证据。但是,原子或分子束的运动会限制测量时间,因此JILA的研究人员Eric Cornell和他的同事选择了一个大胆的尝试。他们将一种被称为四氟化铪的无机化合物中的分子离子限制在一个旋转的电场中,使得离子的运动轨迹会勾勒出一个小圆,而不是像在原子或分子束中那样飞走。在克服了与这个圆周运动相关的一些技术障碍之后,他们追踪了电子的自旋进动“长达”0.7秒。或许你会认为这只有短短不到一秒的时间,但比利用原子或分子束的方法已经高出了1000倍。

  Cornell的小组还没有对电子的球形度进行最好的测量,因为离子之间会相互干扰对方的自旋,从而限制了离子可以同时被测量的数量。然而,不久前,为了同时捕捉更多的离子,JILA的团队在更高的电场下开始了全新的实验。结合了其它细微的实验改进,Cornell表示在接下来的几年内,实验的灵敏度将提高10倍。Cornell也补充道,他们未来将使用氟化钍进行实验,氟化钍更难测量,但其稳定性更强,使我们能观测到电子进动的时间更长。

  同时,其它的小组也在利用不同的方法来提高实验的灵敏度。在接下来的几年内,随着灵敏度不断地提高,我们希望能够最终探测到电子的EDM。如果我们依旧没有发现任何不对称性,那么就会有一系列关于电子EDM的理论被排除。当然,理论家还会继续提出更多新的理论。

  到目前为止,谜题依旧存在。我们仍旧需要继续追问:为什么这个宇宙会存在?答案肯定隐藏在某个线索里,只是我们还没找到。

  

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