标准模型的“乌云”：费米实验室的新发现引发物理学界的震动！有科学家打赌，如果有超光速物质真的存在，他直播吃内裤。

大家好，我是科学羊🐑，这里是物理学专栏第10季之第7篇，今天我们继续谈物理话题。

最近，费米实验室公布了一项实验结果，令物理学界的一部分人士发出惊呼：“又一朵乌云出现了！”

如果这一实验结果得到证实，那么现代物理学最重要的知识体系——标准模型，将面临重大修订。

01 两朵乌云的故事

物理学史上，有用“乌云”来形容理论危机的习惯，这个概念我们已经多次谈过了。

最早的例子出现在121年前，开尔文男爵在英国皇家学会发表了题为《在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云》的演讲。

他提出了两个观点：

1、物理学的大厦已经基本落成，只剩下边角料的修补工作；

2、但还有两个小问题未解决，就用2朵「乌云☁️」。第一朵☁️是「迈克尔逊-莫雷实验」的结果与以太学说的矛盾，第二朵乌云是「黑体辐射理论」计算的波长与实测值不一致。

看到没，都是计算问题，理论计算和实际不符导致的乌云。

当时的物理学家非常乐观，甚至有人劝年轻人不要研究物理，因为看似没有前途。

然而，五年后，物理学的黄金时代开启了——解决第一朵乌云的方法催生了相对论，解决第二朵乌云的方法催生了量子力学。

这些突破使得物理学知识体系发生了根本性变化，经典物理学让位于现代物理学。

02 标准模型的崛起

当然，现代物理学的核心知识体系是标准模型。它是1920年代到1970年代间，几代优秀物理学家和实验室共同努力的成果。

标准模型包含19个参数，比如质量、带电情况、自旋、磁矩等；

包含61种粒子，包括36种夸克、12种轻子、12种媒介子、1种希格斯粒子。

这个模型解释了除引力外的所有基本力：电磁力、强力和弱力。

自1970年代以来，粒子物理学的发展有些停滞。

很多年轻的博士在选择领域时，导师会建议他们选择更容易发表论文的凝聚态物理，而不是粒子物理。

03 μ子磁矩的不同

费米实验室最近的实验结果，意外的是，这是已经成熟的不能再成熟的粒子物理学领域的一朵乌云。

这朵乌云的逻辑和120年前有一点像，也是由于理论计算和实际测量不相符导致的。

那么测的是什么参量呢？

就是图片里第三排第二个、绿颜色的那个叫作μ子的磁矩。

磁矩是一个复杂的概念，我们用高中物理知识来简化说明：假设有一个长条形磁铁，上端是北极，下端是南极，磁场的磁力线像鸟笼一样从北极出发，经过一道弧线指向南极。

磁场越强，磁力线越密，磁矩是磁条长度乘以磁场强度。

对于电子，磁矩也可以类似计算。

电子自旋也会产生磁场，自旋参数代替了磁铁长度，最终磁矩与电量×自旋/质量成正比，比值是g。

量子场论计算得出一阶结果是2，高阶计算会有偏离，因为电子的自旋和带电会相互作用，改变磁场，进而影响磁矩。

在高阶计算中，磁矩就不是2了，而大家关注的其实就是g和2的差值。所以，这也是费米实验室给这个项目起名为“μ子g-2”的原因。

这就是费米实验室“μ子g-2”项目的由来。

那么，这样多级叠加的计算是否正确呢？

需要用加速器实验验证。

μ子的寿命仅百万分之二秒，即便考虑相对论效应（高速运动会有相对论延寿的效应），在加速器中的存活时间也只有十万分之六秒，随后衰变成一个电子、一个反电子中微子和一个μ子中微子。

μ子最常见的衰变方式

实验难度极高。

1968年，实验结果的置信度仅1.7σ（西格玛），即有很大误差，顺便说一句，西格玛，是一个衡量实验结果显著与否的标志。

如果置信度是一个σ，意味着你平均做3次实验，就会有1次不符合你的结果。

如果置信度是3个σ的话，意味着370次实验才会有一次不符合你的结果，你看这要求！

如果某个科学实验的结果达到了3σ，就可以当作一种可能的迹象继续考察了。

2001年，美国布鲁克海文实验室的置信度提高到2.6σ，依然不够。

2004年，置信度增至3.2σ，理论和实验偏差的概率达到99.86%。

但是，这也只能继续增加物理学家的兴趣，吸引更多人来做实验，而不会有物理学家认为真的存在理论和现实的偏差。

物理学界的金标准是5σ，意味着实验结果的错误可能性仅为175万分之一。即便达到4.2σ，物理学家们也保持谨慎，继续进行实验和分析。

不过，这次费米实验室公布的实验结果，置信度达到4.2σ，引发圈外轰动，但物理学界依然谨慎。

费米实验室给出的 μ 子反常磁矩的实验值与理论值的比对

这并非物理学家们保守，而是因为历史上多次高置信度结果最终被证明有问题。

比如2011年，在欧洲核子中心，有团队测到了中微子超光速，比光速快了大约四万分之一。

有质量的物体运动速度超过光速，如果这件事成立的话，物理学的所有理论都将崩塌。

但物理就是实验说了算的事情，不论理论多么优美和伟大。当时，那个实验的置信度是6.2σ，引发了热议。

有不信的科学家甚至打赌，如果超光速物质真的存在，他直播吃内裤。

结果在仔细检查后真的找到了问题，偏差是GPS信号同步故障引起的，故障的根源是GPS模块的光纤接口没插好。后来，团队负责人还引咎辞职了。

所以，实验结果能不能当做结论，是不能只看置信度大小的。

因为σ只能确保你以同样的条件去测，还会得到高度一致的结果，至于这个结果是没插好光纤状态下的，还是插好的，这方面的问题就反映不出来了。

费米实验室的物理学家们谨慎对待实验结果，正在整理后续实验数据，大约一年半后公布。此次数据源自四年前的实验，背后是130多名物理学家的大量工作。

总之，

此次实验引起的轰动有两个主要来源：

一是认同标准模型的物理学家，他们为粒子物理的大新闻欢呼，毕竟这个领域沉寂多年；

二是前沿理论派，他们利用复杂数学工具创立优化版模型，如超对称模型、小希格斯模型等。

标准模型虽难推翻，但有改进空间。

一些人猜测，这些改进可能会导致第五种基本作用力的发现，但一切尚需等待验证。

好，今天就先这样啦～

科学羊🐏  2024/05/24

祝幸福~

参考文献

[1].https://www.dedao.cn/course/article?id=0kzlWERBr6meVb1yglK2j7LD4Od3Zp

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