為什么這樣說呢,？因為追尋構(gòu)成世界的基本元素,，是科學(xué)史上最為悠久的問題之一。中國古人有云,，一尺之棰,，日取其半，萬世不竭,。而古希臘哲學(xué)家則認識到物質(zhì)由基本的元素構(gòu)成,，甚至已經(jīng)提出了“原子”的概念。當(dāng)然,，這些都是古人對于世界最原始的樸素認知,，但對于探索宇宙的成分、物質(zhì)的構(gòu)成,，人類從沒有停止過,。

經(jīng)過眾多科學(xué)先驅(qū)的努力，人們終于認識到,，宏觀的物質(zhì)是由微觀粒子構(gòu)成的,，很多微觀粒子是由更小的粒子構(gòu)成的，若粒子無法被分解,，那么我們就稱之為基本粒子,，這樣的一門學(xué)科叫做粒子物理（也叫高能物理）,。

一臺上世紀60年代的范德格拉夫式靜電場粒子加速器 | wikipedia.org

上個世紀是粒子物理的黃金時期,，通過研究宇宙射線、建造粒子對撞機等,，人們對物質(zhì)的認知不斷深入,。從原子到電子、原子核,，從質(zhì)子中子再到膠子,、夸克，人們發(fā)現(xiàn)了大量的新粒子,，又不斷地分解這些粒子,，就像集郵一樣，物理學(xué)家們甚至還為粒子的命名權(quán)而明爭暗斗,，比如1974年,，丁肇中與另一位物理學(xué)家伯頓·里克特同時發(fā)現(xiàn)了一個新粒子，丁肇中想稱之為“J”粒子,，而里克特則選用了希臘字母“ψ”,，后來科學(xué)界干脆就把這個新粒子叫做“J/ψ”粒子。

 丁肇中與里克特，這次新粒子命名之爭也成為現(xiàn)代物理學(xué)歷史上一段知名公案 |Sandbox Studio, Chicago

除了基本粒子,，人們對粒子之間的相互作用力也有了新的發(fā)現(xiàn),，除了萬有引力和電磁力外，基本粒子之間還存在弱相互作用力以及強相互作用力,。

隨著發(fā)現(xiàn)的粒子越來越多,，而且五花八門，粒子之間的關(guān)系也繁瑣復(fù)雜,。正如門捷列夫建立元素周期表一樣,，人們隱約覺得，如此繁多粒子的背后,，也應(yīng)該有一個相似的“粒子周期表“,。在這個思想指導(dǎo)下，標(biāo)準(zhǔn)模型橫空出世,！標(biāo)準(zhǔn)模型就像是粒子物理學(xué)家的圣經(jīng)一樣,，對微觀世界的研究，都要接受它的指導(dǎo),。

如果僅僅能解釋已知的現(xiàn)象,，那也難服眾人。2013年,，歐洲核子中心的大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)了一個新粒子,，這個粒子完全是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的粒子，也就是大名鼎鼎的希格斯粒子,。這一戰(zhàn),，標(biāo)準(zhǔn)模型就此封神！

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型 | 作者供圖

正所謂否極泰來,，物極必反,。標(biāo)準(zhǔn)模型變得完美的時候，也恰恰是其不完美開始顯現(xiàn)的時候,。時間長了,，人們也慢慢地發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型似乎也不是那么“標(biāo)準(zhǔn)”,。比如說,，標(biāo)準(zhǔn)模型“規(guī)定”，基本粒子之一的中微子不能有質(zhì)量,，要以光速在宇宙中穿梭,，然后實驗測量發(fā)現(xiàn)，中微子耍了一點小滑頭,，它以非常接近光速的速度運動,，而且有非常小的質(zhì)量，不仔細看，還真發(fā)現(xiàn)不了這一點,！這種結(jié)果讓人們很不爽,，如此完美的標(biāo)準(zhǔn)模型竟然不完美，但人們又無可奈何,，只能接受這一點,。

粒子加速器產(chǎn)生的各種粒子，在中微子的帶領(lǐng)下進入超導(dǎo)磁鐵儲存環(huán) | Sandbox Studio, Chicago

有人看到了危機,，有人卻能看到機遇,！這或許是破舊立新的機會，雖然標(biāo)準(zhǔn)模型還沒多舊,。當(dāng)不可戰(zhàn)勝的神流血之后,，就會有越來越多的挑戰(zhàn)者！而這一次費米國家實驗室實驗的內(nèi)容,，是測試繆子磁矩,。繆子，也是標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子之一,，它是我們熟知的另一個基本粒子——電子——的二哥,，除了比電子重200多倍，其它沒有什么區(qū)別,。

繆子（μ 子）與電子的關(guān)系 | Jorge Cham,physics.aps.org

什么是磁矩呢? 大家中學(xué)物理課可能學(xué)過,，作用力促使物體繞著轉(zhuǎn)動軸或支點轉(zhuǎn)動的趨向，稱為力矩,。那么繆子的運動模式,，是像陀螺一樣飛速繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，這種自轉(zhuǎn)運動形成了沿著繆子自轉(zhuǎn)軸排列的磁場,。這個圍繞繆子產(chǎn)生的磁場力矩,，就被稱為磁矩。

費米實驗室的科學(xué)家在觀察繆子磁矩的時候,，發(fā)現(xiàn)一個有趣現(xiàn)象：那就是看似空無一物的真空，實則暗流涌動,，風(fēng)云四起,！一個靜止的繆子，會在周圍的真空中激發(fā)出正反粒子對,，這些粒子對從真空中涌現(xiàn),，又在瞬間消失的無影無蹤, ，如同奇幻電影里的小精靈,，突然出現(xiàn)又突然消失,。這些小精靈一樣的神秘粒子，雖然沒法被直接觀察到，但卻對繆子的磁矩產(chǎn)生可觀的影響,。

在費米實驗室本次實驗中,，繆子身邊出現(xiàn)了無數(shù)神秘粒子 |  | Jorge Cham,physics.aps.org

如果把繆子看作一個小陀螺，那么它在自轉(zhuǎn)時,，由于磁場的存在,，也不是筆直地按照中心軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，而會出現(xiàn)中心軸“扭來扭去”的現(xiàn)象,。也就是說,，那些神秘的小精靈一樣的粒子，似乎有一種無法看到的力量,，讓這只小陀螺在自轉(zhuǎn)中,，扭動的“姿勢”和預(yù)測中的不一樣。

其實,，在之前的物理學(xué)研究中,，科學(xué)家也注意到了這些神秘的小精靈，由于來無影去無蹤,，干脆就把這些粒子叫做“虛粒子”,！著名物理學(xué)家施溫格在1947年最先計算了虛粒子對電子的影響，這在當(dāng)時是巨大的理論進步,，以至于他去世之后,，墓碑上都鐫刻了這個結(jié)果。

 通過影響繆子磁矩,，虛粒子證明了自己的存在| Jorge Cham,physics.aps.org

雖然有一個“虛”字,，但是虛粒子的影響卻是實實在在的。因此理論計算的時候,，就要把所有已知的粒子都考慮進去,，這是非常繁瑣的事情，虛粒子瞬息萬變,，想抓住它并不容易,，甚至使用了超級計算機進行計算。然而,，迎接理論物理學(xué)家的并不是勝利的號角,，實驗物理學(xué)家經(jīng)過多年的努力，發(fā)現(xiàn)事情并沒有這么簡單,。電子磁矩的理論計算與實驗結(jié)果,，在小數(shù)點后11位還能保持相同，理論與實驗呈現(xiàn)高度的一致性,，標(biāo)準(zhǔn)模型不愧為粒子物理學(xué)的圣經(jīng),！這也是物理學(xué)中最精確的結(jié)果,，沒有之一！

然而,，當(dāng)人們把目光轉(zhuǎn)向繆子的時候,，預(yù)期的完美結(jié)果并沒有出現(xiàn)，理論計算與實驗測量總是差一點點,，這一點點的差距在20年前就被發(fā)現(xiàn),，經(jīng)過了20年的努力，這一差距并沒有縮小,，反而越發(fā)堅固,！

與理論不同，實驗測量的是最真實的宇宙,，宇宙并不會因為一個粒子不在標(biāo)準(zhǔn)模型里就歧視之,，天地不仁，以萬物為芻狗,，所有粒子都被一視同仁地參與繆子磁矩,。

當(dāng)實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果不一致時，機遇就再次展現(xiàn)出來,！標(biāo)準(zhǔn)模型不完美的呼聲也越來越高了,，宇宙中很有可能還有新的沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子，這些粒子不在標(biāo)準(zhǔn)模型之內(nèi),，因此理論計算自然沒有包含它們的貢獻,，理論與實驗有差距也就很容易理解了。

夜幕降臨,，抬頭望向夜空,，繁星點點。我們看見的,，真的就是整個宇宙嗎,？有時候眼睛往往會蒙蔽真相。上個世紀,，天文學(xué)家的觀測徹底顛覆了人們對于宇宙的認知,，普通可見物質(zhì)只占到了宇宙總成分的5%！除此之外,，宇宙中還有26%的不可見物質(zhì),，也就是大家常說的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是普通物質(zhì)的五倍還多,！當(dāng)然，還有69%的暗能量,，不過那是另外一個故事,，此處不予多說,。

普通可見物質(zhì)只占到了宇宙總成分的5%，更多的暗物質(zhì)和暗能量有待人類去探索發(fā)現(xiàn) | universetoday.com

就像普通物質(zhì)是由各種基本粒子構(gòu)成的一樣,，人們也自然地相信暗物質(zhì)也會是由某種基本的粒子構(gòu)成,，那么構(gòu)成暗物質(zhì)的基本粒子到底是什么呢？探索宇宙的道路不會一帆風(fēng)順,，至少在這一步,，人們已經(jīng)舉步維艱很久了。人們上天入地,，想找到暗物質(zhì)粒子的蹤跡,，但是遺憾的是，到目前為止,，暗物質(zhì)粒子的影子都沒有發(fā)現(xiàn),。

長期以來，尋找暗物質(zhì)的科學(xué)家如同一群一無所獲的偵探 | Sandbox Studio, Chicago 

因此,，繆子磁矩就像是一針強心劑,，人們覺得好像又行了！大家很自然地聯(lián)想到暗物質(zhì),，也會自然地想,，這兩者有相同的內(nèi)在機制。這個結(jié)果,，給暗物質(zhì)研究,、宇宙構(gòu)成與演化問題帶來了新的機遇，畢竟暗物質(zhì)在宇宙中的占有量是普通可見物質(zhì)的五倍,！

當(dāng)然,，這些聽起來很振奮人心，但是物理學(xué)家對于一個結(jié)果總是會慎之又慎,！實際上,，目前的實驗結(jié)果并不被認為是一個確定的發(fā)現(xiàn)，因為這樣的好結(jié)果有可能是因為統(tǒng)計數(shù)據(jù)不夠,，數(shù)據(jù)誤差過大導(dǎo)致的,，這樣的可能，目前有四萬分之一的概率,。一般來說,，只有這個概率小于千萬分之三，才會認為是真的發(fā)現(xiàn)了新的現(xiàn)象,！

雖然如此,，目前的結(jié)果也足夠令人振奮人心。費米實驗室將在未來幾年內(nèi)繼續(xù)測量繆子磁矩,，收集更多的數(shù)據(jù),，相信那時候我們會有一個更堅實的結(jié)果,。回想彼時,，十九世紀初,，開爾文勛爵演講中的“兩朵烏云”，直接帶來了相對論與量子力學(xué)這兩個重量級的物理學(xué)革命,，我們對宇宙的認知也發(fā)生了翻天覆地的變化,！再看此時，或許我們也處于相似的境地,，一個小小的繆子,，或許就是通向未來新物理的起點也說不定呢！

作者：子乾

編輯：朱步?jīng)_