物理|缪子的摇摆，摇出了一个崭新的物理学领域_自旋|科技|量子

缪子并非象最出色物理模型预测的那样自旋，原因何在？可能是由于全然未知的亚原子粒子在量子泡沫存在形式下的忽升忽灭。
这可不是科幻中所描绘的技术，这是经过实实在在的实验并得到验证的结果，是宇宙原本的样子，它意味着人类对它还没有全面了解。
这些相当有意思并可能改变已知物理规则的结果来自费米实验室。这家实验室位于伊利诺斯的高能粒子加速器中心。这个实验室还做了许多不同类型的实验，其中之一就是缪子 g-2（注：“g 减 2”），用以检测称作缪子的亚原子粒子。

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缪子与电子类似，比如：具有负电，自旋方式与电子的也相同（注：自旋方式是粒子的一项基本特性，在磁矩中非常重要），但缪子的质量却是电子质量的200倍。
运用我们已知的亚原子知识，即：标准模型，物理学家可以预测缪子的许多行为，例如：一个自旋带电粒子具有磁性能，与之相关的就称作磁矩，而磁矩用以描述其磁场强度与方向。如果把一个缪子放在磁场中，缪子就会经历那种称作进动的摇摆，这一点从物理学角度看，与在桌上旋转的玩具陀螺非常类似。
这一模型对这一进动的预测极其精准，完美至极。物理学家给它赋予了一个称作g-因子的值，这个数值非常接近2、但并不是精准的2 。

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后面要介绍的内容开始变得更加有趣味了：在宏观世界，我们总是认为空间是光滑的、是连续的；但是在量子世界，一个尺度相当小的世界，如10-35米尺度大小，量子力学认为空间不再是连续的、也不再是光滑的，反而空间是离散的，好象曲线表上标注的若干“点”那样，这就是说：在量子尺度上，空间并不“空” ，反而充满能量的沸腾与发泡。
有时，这种能量会自发产生一对亚原子粒子，这是缘于质量与能量就是一枚硬币的两种表现方式， E就等于mc2 。这些粒子跳出来从而存在；但是同一量子世界的法则又需要这些粒子马上相互结合、再次转为能量形式，复原到真空能量中。这一过程称作量子泡沫。

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量子泡沫的示意图：1cm的“千亿亿亿”分之一大小范围的能量消失，转化为粒子，忽近忽出。提供者：NASA/CSC/M. 维斯
在磁场中缪子的自旋受到量子泡沫的影响：假使没有量子泡沫， g-因子的数值会非常接近2；但是由于粒子反复的忽进忽出，已经影响到缪子的摇摆；这也称为异（反）常磁矩，即：与磁矩值g（2）的差值。
基于所有已知力与已知粒子的知识，标准模型对这一异常磁矩数值做了一个推算，结果应该算是非常准确。但是，能够确认这一数值的准确度还是很必要的，这也是缪子 g-2实验目标所在。这个实验将缪子射入一个非常稳定的磁场，测量其摇摆性，用以与预测值做对比。如果两者一致，我们就会了解量子力学的宇宙行为。
如果两者不一致，岂不是也很有意义吗？

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费米实验室所做的缪子 g-2 实验：中心环形磁铁提供稳定的磁场，缪子在其中自旋。提供者：费米实验室/瑞达.哈恩.
标准模型预测缪子的这一异常磁矩数值应该为 0.00116591810（±0.000 000 000 43 ，正如我所说，非常准确）。
最新实验的结果为：0.00116592061 （±0.000 000 000 41）
两个数值不同，但是差异很小，肯定地说只有0.000 2% 。但是，这两个数值应该完全一致，而事实却非如此。

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这一细小的差异却有很多意义：这意味着在量子层面，还有一些力或粒子不为我们所了解！
或许，这就像是给我们填些小麻烦那样：实验结果还达不到统计学上“确认”的标准，或许是由于随机概率造成，就像掷硬币，如果三次都是面冲上，你就会以为硬币被做了手脚，但从统计上说这样的随机事件有八分之一的几率；你掷币的次数越多，面冲上的次数就多，而随机率或随机性就小。

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图三费米实验室，由强磁力环驱动而被加速的质子以超高速在直径约一公里的圆环内运动周转，然后被送入缪子 g-2的目标站;在此，它们与一个目标碰撞，产生缪子，这些缪子随后被射入一个稳定的磁场，进行研究。提供者：费米实验室
科学家用了一个叫做西格玛的术语来表述这种几率。粒子物理实验的黄金规则是这样说的：如果说一个实验达到5个西格玛的水平，这就意味着其随机性的产生只有3百万分之一，或者也可以说此数值以99.99997%的几率为真（一个西格玛的几率为68% ，二个为95% ，三个为97% ，逐渐接近100%）。缪子g-因子实验结果只有4.2个西格玛，意味着由于随机噪音带来的几率是38,000分之一。
当然，这一99.997%的几率并不是由于随机几率造成，这已经是相当好的吻合。只是对于物理学者而言，这个结果还不足以声明“确认” 。好消息是工作还在继续：实验已经进行过三次，正在进行第四次，第五次实验也已列入计划。科学家已经开始对实验初期的数据进行分析，截止目前已分析的数据是全部实验所获得之总数据的6% 。按照上述的逻辑，这就好像已经掷出硬币若干次，得到了相当不错的数据，但还要继续更多次抛出硬币以确保结论的可靠性。

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如果剩下的数据与目前的观测一致，那么最终结果肯定会超过五个西格玛。如果的确如此，这就是说宇宙是相当不可思议，它所具有的神秘性远远多于量子力学所能告诉我们的，这其实也就是说我们的宇宙是相当神奇的。
如果你希望得到图示说明，乔治.单的动画可以为你提供相关信息。
所以，这一发现会非常令人振奋：标准模型相当成功，如：它预测了希格斯玻色子的存在，这一粒子是几年前刚被发现的；但是我们也知道这个理论有缺陷或遗漏，还有些情况甚至没有被预测。因而，缪子在磁场中的发泡、自旋与摇摆的现象也正向我们招手，令我们沿着此路继续研究，指引我们走向了还不了解甚至无知的新物理学领域。
这就是每一位粒子物理学家的梦想。一旦实验验证了理论，我们倍感舒畅，因为这就证明我们已经历的研究路线是正确的。
然而，走向未来的路又将如何？
BY: Phil Plait
FY: 周洪波
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