美国费米实验室的最新 μ 子试验结果对物理学有多大颠覆？粒子的标准模型有被「推翻」的风险吗？ 第1页

又是一个被刷屏的新闻，鉴于我本人并不是做这个方面的研究，没敢第一时间就回答这个问题。现在这个问题下各位大佬已经把这个实验说的很清楚了，我就随便写点吧~

1、为什么是 子而不是电子

首先还是把这张用了无数遍的标准模型的图再次放出来：

电子、 子都是标准模型中的基本粒子， 子的质量是电子的200多倍，除此之外，它们俩没有什么区别。（好多文章里说 子是电子的二表哥，我感觉说子是电子的爹可能更好一点，毕竟不是一代！）

子有磁矩，电子当然也有磁矩。磁矩的形式为：

，

其中 为电荷， 为粒子的质量， 为光速， 为自旋。其实这几个量并不重要，最有意思的是前面的那个系数 ，学名叫做“朗德g因子”。传统的狄拉克理论认为，

,

狄拉克理论是量子场论发展出来之前的一个“经典”理论。然而后来发展起来的量子场论认为，真空并不空！

一个静止的电子，看似岁月静好，但实则是风起云涌！

在电子的激发下，它周围的空间中会涌现出大量的正反粒子对，又在转瞬之间消失的无影无踪！

这样的过程被称为“虚过程”，也叫做“量子涨落”，其中被激发出来又转瞬即逝的粒子，也叫做“虚粒子”。

（上图^[1]）

虽然有一个“虚”字，但是影响却是实实在在的！

如果没有这些虚过程，那么 没有问题，但是正是由于这些虚过程的存在，使得 会偏离2，偏离的部分就叫做“反常磁矩”，并因此定义了

来表示其反常程度，这也是本次实验测量的物理量。

当然，不同粒子激发虚粒子的能力也不同，质量越大的粒子，就能激发越重的虚粒子，实际上，这种能力跟粒子质量的平方成正比，因此 子的激发能力是电子的40000多倍！

当然，激发能力弱，我们对电子反常磁矩的理论计算就会容易很多，因为只需要考虑很简单的激发情况就能保证足够的精度，目前，电子反常磁矩的理论计算值是^[2]：

，

而实验测量结果为：

，

二者在小数点后第11位都保持相同！！！

这无疑是量子电动力学（量子场论版本的电磁理论）的巨大成功，这也使得量子电动力学成为人类有史以来最为精确的理论了（没有之一）。

然而，当计算 子的反常磁矩的时候就没有这么容易了，它周围会有更多更重的虚粒子被激发出来，对于电子没有什么影响的粒子，此时就变得很重要！

子反常磁矩的理论预测为：

而整合最新的数据后，实验结果为：

在小数点后第8位开始出现差距！这一差距让大家不得不认真对待。

2、新物理在哪？

我们先不去考虑可能的实验测量的不足，或者理论计算中可能的错误，而是看一下这个结果可能带来的意义，也就是新物理。正是看到了这一点，本次的结果才会引起物理学界的广泛关注。

可以说，标准模型是物理最伟大的成就之一，但是建立这么多年之后，人们也慢慢看腻了，实际上，目前大家普遍认为，标准模型并不“标准”，宇宙中还有新的现象没法解释，还有新的粒子没有被发现。

那么，超出标准模型的新物理、新粒子到底在哪呢？本次 子的结果或许能提供一定的指导。

上面说了， 子激发虚粒子的能力比电子强很多。原则上说，只要是自然界中存在的基本粒子，都会被激发，只是程度强弱的问题。而标准模型理论计算比实验小，就暗示自然界中还存在一些没有被发现的新粒子。

而对新粒子的探索也不完全是空穴来风。目前，根据天文学观测，宇宙中普通的可见物质，只占到了宇宙总成分的5%，另外还有27%的看不见摸不着的暗物质，以及68%左右的暗能量。

我们对暗物质的观测主要来自于天文观测中的引力效应，但是对于构成暗物质的粒子，也就是暗物质粒子，完全没有头绪。暗物质对普通物质没有明显的影响（除引力外），因此不参与电磁相互作用以及强相互作用，或许参与弱相互作用，也或许不参与。理论上会构建很多具体的模型来探讨暗物质可能的性质，甚至还会有引入第五种相互作用力！

对于新粒子的理论探索有很多，其中有一个大家比较熟悉的理论，超对称模型，是对标准模型的一个推广，认为标准模型中的每一个粒子都伴随着一个超对称粒子，由于宇宙演化过程中发生的某种对称性自发破缺，使得超对称粒子质量变得很重很重，因此很难被发现。

人们在太空中、地底下以及对撞机中，通过各种办法寻找超对称粒子、暗物质粒子的踪迹，但是遗憾的是，到目前为止，没有任何实验能够给出确凿的证据说这些粒子存在！

如果把这些信息都放到一起，就很容易理解物理学家们的兴奋了。此次 子的结果如果能够被确认，那么对于下一步高能物理的发展方向、探索超出标准模型的新物理提供重要指导。若有幸真的与暗物质能扯上关系，那么这将会大大增加我们对宇宙的认知，毕竟宇宙中暗物质的含量是普通可见物质的五倍还多！

3、精细测量的意义

对于这次本次测量的结果，以及理论与实验不断增加的精度，有人也提出了异议，认为这样高的精度是没有必要的。

但如果对物理学史有所有了解的话，就明白物理学中有不少重大发现都是源于精度的提高！或者说，源于理论与实验的不同！

• 海王星的发现。人们在发现天王星之后，开始测量其运动轨道，可是，观测了一个时期以后，却发现天王星是一个“性格很别扭”的行星。因为別的大行星都循着科学家推算出来的轨道绕太阳运行，只有天王星有点不安分，它在绕太阳运行的时候，老是偏离它应走的路线^[3]。行星之间的万有引力会影响他们的轨道，经过仔细计算之后，推算，太阳系中还存在另一颗没有被发现的行星，影响了天王星的运动轨迹。1846年9月23日，德国天文学家伽勒用望远镜看到了法国天文学家勒威耶和英国天文学家亚当斯同时独立地用天体力学理论所算出的一个当时尚未发现的新行星，这就是海王星^[3]。

• 水星进动。按照牛顿万有引力定律，行星绕太阳运动轨迹是一个封闭的椭圆，不会发生变化。但是对水星运动轨迹的精确测量发现，它的轨道在逐渐变化，长轴也在缓慢的转动，即进动现象，速率为每百年1°33′20"，然而根据牛顿理论计算得到结果为每百年1°32′37"，即使考虑了其它行星带来的影响，理论依然与实验不相符。这最早是在1859年被法国天文学家勒维耶发现。直到广义相对论建立起来之后，这一现象才被很好地解释，水星进动问题也是验证广义相对论的主要现象之一。

实际上，当下和未来也有许多量需要进一步的精确测量：

• 万有引力常数 。对电磁相互作用我们能测得很精确（比如电子磁矩），那么引力自然地也要测得精确一点。其中万有引力常数 其中很关键的量，对这一量的精确测量一直在持续，但是由于万有引力本身很弱，因此测量误差一直很大。很多不同实验结果也有明显差距。相对于电磁力的精确结果，可以说，我们对万有引力了解的很粗糙。

（上图^[4]）

• 希格斯粒子。2013年发现希格斯粒子可以说标准模型的巨大成功，但是我们对希格斯粒子的了解几乎只有“存在希格斯粒子，质量为125GeV”，它的很多细节和性质我们并不怎么了解，甚至都不知道它是不是基本粒子。作为标准模型中费米子质量的来源，我们理应对其有更进一步的认知。而这也是新物理的发展方向之一，即建造希格斯粒子工厂，精确测量希格斯性质。当然，这就需要建造新的大型对撞机，中国正在推进的CEPC就是其中之一，我想很多人对此都有了解。

当然，理论与实验室相辅相成的。实验的精确测量离不开理论精确计算的验证，而理论的结果又离不开实验的验证。真理永远在小数点后一位。实际上，理论的精确计算并不容易，涉及到的精度越高，所需要的算力也就越大。目前这种级别的计算是需要使用超级计算机的，而且计算时间也要按月来算。

4、总结

这次结果不是最新的，实际上20年前就已经发现了 子反常磁矩理论与实验的差距，而此次的数据进一步强化了这个结果。但是，现在还不能过于兴奋，因为毕竟结果还没有到5 ，实验结果出错的概率并不太小，还需要耐心等待费米实验室未来几年进一步的结果。如果被确认，到那时再兴奋也不迟。

我的上一个回答 (*^▽^*) 我的下一个回答

参考

1. ^ http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/ImprovedOperators/index.html
2. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Anomalous_magnetic_dipole_moment
3. ^ ^{a b} http://www.kepuchina.cn/2016zt/100000whys/02/201803/t20180313_557201.shtml
4. ^ https://www.eurekalert.org/multimedia_ml/pub/12185.php

外行，作为粒子物理爱好者，很希望看到新物理。不过对比今天同一天的两篇新文章，感觉怎么辣么巧呢 【希望是我多氯了 ^_^】

实验组的 PRL 文章：

理论组的 Nature 文章：

理论组的文章去年就挂 arxiv 上了，实验的文章在引文 [12-24] 里一笔带过

其中理论组的预印本文章为参考文献 [23]，即实验组假装没看见（或者真没看见）理论组的文章得到的理论值是和文中引用的不一样的，而是和之前实验更接近。要是理论组的文章已经发了 Nature，恐怕就不容易没看见了。

貌似两篇文章同时发表，可以得到最好的公众效果：

我是提问者，补充一张外国有人做的科普这个结果的动漫图，来源于这个网站：https://physics.aps.org/articles/v14/47

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  yun-hang-99 网友的相关建议: 
      

是因为物理学已经开始快要碰触到这个世界我们可能的认知边界了。

包括什么边界呢？这里有物理观察能力的边界，也有主观客观分界的边界，甚至有这个世界底层规则的边界。

假设说吧，我们这个世界是虚拟的（而且很可能就是），那么我们是什么呢，不过是网络游戏里的NPC角色，就像你在魔兽世界里看到的卫兵，任务NPC一样，差别是我们更加智能，并且会思考。

假设我们就是那些NPC吧，我们也会思考我们所在的这个世界的本质是什么，这个世界运行的规律是什么。通过一些实验和逻辑思考，我们很快就能发现很多规律，比如这个世界上物体运动的规律，能源传递的规律，甚至光线和颜色渲染等等更高级的规律，这些规律都是我们可以利用现有的游戏内的道具和环境通过实验而感知到的。于是我们提出了种种的假设，提出了各种数学方程来总结这些规律，我们惊奇的发现，这些理论是对的，他们在很大程度上既普适又实用，能指导我们在这个世界里干出很多以前干不了的事情，比如造出了能上天入地的机器，也学会了怎么远距离的通信，我们的科学开始突飞猛进。

但是，研究到了一定程度之后，我们发现了很多奇怪的很难解释的现象，比如为什么法师发出的火球，你观测和不观测的时候命中的概率会有变化，为什么两个相距遥远的宝箱，开出来的物品始终保持互补的概率，这些似乎和逻辑常识不符。但是，我们很理性的认为，可能这就是这个世界的客观规律吧，这个世界上有一些奇怪的规则，虽然不知道是怎么来的，但是这个世界就是依照这些规则构建出来的。

再然后，研究深入到了一些更难理解的领域，比如在这个世界显现出来的最小像素背后究竟是什么，我们看到的这个世界（客观）的本质究竟是什么，我们（意识）的本质又是什么？科学研究卡在这个地方似乎再难推进。有的科学家说，肯定是我们没有造出更厉害的道具炮，如果我们用更强大的道具炮对轰，在极端的运算条件下，这个世界一定会显露出更底层的运算机制出来。

好了，现在你先跳出来，做为这个游戏的上层世界的开发者身份来看一下。你会觉得很有趣：你创造的世界里的代码正在试图弄明白自己是什么，或者想弄明白这个世界是什么。他们发现了这个世界因为虚拟造成的一些奇怪的地方，比如你为了节省运算量，大部分的场景和物体都是在玩家不观测的时候不装入内存的，大部分的计算也都是先计算结果再反过来根据观测需求输出过程。当然这么做会让游戏里的智能NPC感觉到因果律被违反了，但是没关系，他们会理解这个世界就是这么运转的。然后你看着这些NPC开始修改一些脚本，试图利用道具反应来制造出超越数值边界的计算，然后引发计算BUG，并通过研究BUG现象来更进一步的分析这个世界的代码运转特性。

你很佩服这些智能NPC的想象力和探索欲望，你也很理解他们，不过做为开发者，你当然知道这么做是没用的，这个网络游戏程序有着复杂强大的保护机制，不可能被游戏里的NPC弄崩溃，而且就算弄崩溃了大不了也就是打个补丁重启游戏就好了，出错时候的日志都会清掉，他们什么都不会记得的。而你也知道，这个世界的本质其实是建立在高层世界的计算机的各种硬软件系统之上的，这其中包括了服务器，网络通讯体系，协议，客户端，编程工具，图像引擎，底层驱动等等机制，而这些机制游戏里的NPC无论如何研究也不可能明白的，他们不可能明白在他们的世界维度之外的东西，这是他们的不可逾越的界限，他们就算把CPU弄烧掉也不可能从游戏里蹦到现实中来。

对于游戏里的NPC来说，他们只能在这个世界程序运行的规则之下进行探索和学习，他们不可能超越这个世界去到更上层的世界，不可能变成坐在键盘前的开发者，他们虽然很聪明也很好奇，但是终有一天他们会发现再也无法向这个世界更深的奥秘去探索了，因为他们所探索的世界规则有他们碰触不到的边界。

这是做为NPC的悲哀，开发者想，不过他转念一想：我们自己也不过是一个更高层世界创造下的NPC，我们也同样被局限在当前的世界里，永不可知外面的世界是什么，大家彼此彼此，都在笼中而已。

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好家伙，居然有这么多人对科幻概念有兴趣，回复出几百条来。

请大家理解一点，既然谈到了科学的边界之外的地方，那自然说的东西是既不能证实也不能证伪的，这叫什么，这叫做想象，所以大家不要把科幻当民科来批，放飞想象也是一种娱乐嘛。

既然说到了对科学边界的想象，那么我就补充几句：

1 我们对世界的认知是一定有边界的，因为我们从哲学逻辑上就无法回答任何无限穷底的问题，比如时间的尽头后面是什么，物质无限细分下去是什么，宇宙的边界之外是什么，时间的最小单位之下是什么等等。所以，我们应该理解无论科学如何进步，我们对世界的认知就是有极限的，哪怕是神也无法掌握所谓终极真理，科学没有所谓的终极；

2 我们对世界的认知的边界可能比你想象的要更早到来。有人举出各种例子，说明百年前人类也觉得科学已经快到尽头了云云，但是现在又进步了这么多。但是现在情况确实不一样了，现在碰到的障碍和瓶颈和之前碰到的问题有本质的区别。现在碰到的问题很多都是人类在实验观测手段上难以突破的障碍，比如我们无法造出太阳系半径大小的加速器，也无法进入更高的维度去观测，或者突破主观和客观的界限，在低垂之果摘完之后，剩下的恐怕是天顶才有的果实。虽然现在人类在无数领域里面都在加速探索，但其实顶尖领域的科学家都知道，基础领域颠覆性的突破已经很难再出现了，缺乏实验支持的理论和玄学并无二致，和上面的科幻一样，既不能证实也不能证伪。

人类科学还会有很多进步，未来我们可能解决核聚变，发现更多粒子，统一四大力，开发真空能，我们能任意的操纵物质，实现原子级的打印技术，甚至能直接打印出一颗行星来我也不奇怪，但是这些其实都是现有底层理论的工程学应用而已，人类在现有理论上不断加强实用转换还能大大的拓展人类的能力，但是无论这些能力强到什么程序，有些边界依然会永恒的横亘在人类认知的边缘，让人类不得逾越。人类无法逆转时间箭头和熵，无法修改宇宙常数，无法超越光速运动，无法跃迁到更高维度，无法跑到宇宙之外，无法逃脱自己所处的时空牢笼，无法得知是否存在有更高层次的世界，更无法叩问自己的造物主为何创造自己和这个世界。

3 我们其实也不用悲哀，每个智慧文明都会处在一个牢笼之中，无论它多么高级也永远无法得知笼外是什么。等触摸到边界以后会发生什么呢，其实大家都很熟悉，就是内卷嘛，文明只好开始娱乐自己。既然向上无法超越，那么我们倒是可以向下造出一个新的牢笼来。虚拟技术，人工智能这些对于每个文明都不难，很快我们就能在虚拟世界里创造一个新的宇宙，并且把智慧代码放到这个虚拟环境里观察了，也许这也是一种理解世界的仿真方式，或者就仅仅是我们的一种消遣罢了，不然呆在这个笼子里还有什么乐趣呢？

说点题外话：谈到仿真世界，算起来搞不好又要清档了。地球副本已经清档五六次了，每次都是某个物种占据优势地位后就清的，感觉似乎是某种代码竞赛，如果是这样，我们应该恭贺这届的冠军团队，你们通过智慧代码赢得了这轮比赛的胜利，战胜了上轮的恐龙开发团队，谁让他们这届还采用老思路，继续走速攀食物链路线呢（说到这个话题可以再开本书了，生物分类学妥妥就是一场策划风格大赛啊，充满了各种明显的设计流派和思路，让一个游戏策划去读读生物分类和进化的百科书籍，他会感觉到一种极其熟悉的感觉：这不就是我们边拍脑袋边想出来的怪物表吗，我都能看出不同策划的水平差异……）

好了，以上都是胡扯，大家看看就洗了睡吧，但愿能帮你们打发一点无聊时间。

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