人類最早的五大科學發現（人類有了超出科學理解的重大發現）

2023-04-19 07:41:07

不得了，過去的一個月，全球科學界都因為一項實驗沸騰了！

4月8日，美國費米國家實驗室公布了繆子（μ子）反常磁矩的測量結果：實驗與理論預測之間存在4.2個標準差的偏差。

繆子g-2實驗裝置中的磁鐵。來源：Fermilab

雖然距離宣稱「發現新物理」的5個標準差仍有一步之遙，但這起碼可以說明舊有的「標準模型」已經遭遇到了前所未有的挑戰。

如果這個發現進一步確認，意味著人類發現了一種超出目前知識理解範圍之外的新現象。

不僅物理學的經典理論構架會被顛覆，我們看待物質世界乃至整個宇宙的方式都將經歷一場劇變，重要性怎麼說都不為過。

不過問題來了，這次的實驗結果和「標準模型」之間有什麼關係呢？

「標準模型」不再標準？

「標準模型」是目前粒子物理學中最好的理論模型。

在過去的半個世紀內不斷完善，它描述了所有已知的基本粒子，和除萬有引力之外的其他三種基本相互作用力：強力、弱力、電磁力。

標準模型。來源：Wikipedia

它是由溫伯格、格拉肖等物理學家在70年代提出的，還因此獲得了諾貝爾物理學獎。

我們知道，構成物質的最小單位從上往下依次拆分，可以分為：分子—原子—原子核—核外電子，原子核又可以進一步拆分為質子和中子。

在目前最高精度的物理學研究中，質子和中子又可以拆分為更小的夸克。而對於原子核外的電子，科學家們目前還沒能找到比它更小的組成。

因此，我們將諸如夸克、電子等粒子稱為「基本粒子」。

但是，除此之外，還有一種沒法繼續拆分的基本粒子，那就是繆子（μ子）。

繆子（μ子）和電子很像，但質量是電子的約200倍，可以被視為電子的「大哥」。

輕子家族 | 來源：我是科學家

可惜繆子體量雖大，壽數卻並不長。他的平均壽命只有2.2微秒（1微秒等於百萬分之一秒），繆子如此轉瞬即逝，難以摸清它的蹤跡。也因為如此，更多的真相等待被發掘。

這次的「大新聞」，問題就出在這個繆子身上。

今年的實驗，就是給繆子在外部加上一個磁場，然後觀察它在磁場裡的進動。

所謂「進動」就是類似陀螺，當我們抽打陀螺的時候，陀螺除了自身的轉動之外，它的中心軸還會繞著重力的方向轉動。

繆子在磁場的轉動好比螺旋旋轉 | Wikimedia Commons, Lucas Vieira / public domain

既然繆子有磁場，自己還帶電，它的磁場就會跟自己的電荷作用，就會產生作用能，在繆子周圍產生各種各樣的其他粒子，這些粒子都會影響繆子在磁場中的進動情況。

至於具體產生什麼粒子、產生多少、能量有多少……都可以用已經非常成熟的「標準模型」裡的公式給計算出來，算完之後就去做實驗測量，按理說，也不會有太大出入。

但問題偏偏就出在這裡。

其實早在20多年前，物理學家做實驗的時候就發現，從公式計算出來的數據和實驗得出的數據不太一樣，只不過這個偏差很小，大約是2.7個標準差。

但是，一個完全顛覆現有物理理論的結果，需要相差足足5個以上的標準差。

所以在當時，這個偏差被認為是實驗允許的誤差，誰都沒有太在意。

只不過，隨著時間的推移，過去十多年時間裡，理論值的精確度已經提高了一倍，而且在2018年美國費米實驗室已經嘗試把這項實驗的測量精度提高了4倍。

實驗結果和理論測算數據之間的偏差不僅沒有縮小，反而越來越大，已經到了4.2個標準差，這個趨勢說明：或許真的有一種超越了現今的「標準模型」的粒子或「第五種力」的存在。

「第五種力」正在拓展人類想像的邊界

事實上，這次的實驗結果之所以會震驚全球科學界，一個重要原因就在於媒體在報導中高頻引用了這樣一個概念——「我們發現了第五種力」。

啥概念？

在《不可思議的物理》一書中，美國著名的物理學家、超弦理論創始人之一的加來道雄是這樣說的：

在過去的2000年中，物理學的最高成就之一便是分離並鑑別了主宰宇宙的四種力。

它們是：

引力。它能使我們的雙腳站在地面上、防止地球與恆星解體，並且將太陽系和銀河系維繫在一起。

電磁力。它是點亮我們城市的力。雷射、無線電、電視機、現代電子學、計算機、網際網路、電學和磁學都是受電磁力的影響而產生的。

弱核力 強核力。弱核力是放射性衰變的力。它是加熱地球中心的力，具有放射性。它是火山、地震和大陸漂移背後的力量。強核力是將原子核維繫在一起的力。太陽與星體們的能量始自核力，核力擔負著點亮宇宙的職責。

如今，人類僅僅只掌握了這四種力，似乎就有了毀天滅地的能力，如果真的發現了第五種力，那麼人類未來也就真的可以超凡入聖，將科幻電影變成現實了。

那麼這第五種力都可以幹些啥呢？

看過《星際迷航》沒有？

柯克船長經常向船員們發出的指令就是：「打開防護罩！」用物理學的術語來說就是：升起力場。

在《星際迷航》中，力場極為重要，以至戰鬥的走向可以用力場的支撐情況來衡量。每當力場中的能量被抽走，企業號的船體就會承受越來越多的破壞性重擊，直到最終不可避免地投降。

力場是什麼？在科幻小說裡，它就是：一層薄薄的、隱形的卻無法穿透的屏障，能使雷射和火箭之類的東西改變攻擊方向。

乍一看，力場非常簡單，它作為一種戰場上的屏障被創造出來似乎是近在眼前的事，但事實遠比這複雜得多，因為它並不符合已知的物理定律，被認為是最難以在實驗室裡被創造出來的裝置之一。

但加來道雄說，如果我們能發現並掌握「第五種力」，那麼這一切就可以輕鬆解決。

軍隊可以利用力場使自身變得固若金湯，創造一種能夠抵抗敵人飛彈和子彈的、無法穿透的盾牌。

理論上，只按一下按鈕，橋梁、高速公路和道路就可以被建造起來。整個城市可以立即在沙漠中破土而出，擁有完全用力場建造的摩天大樓。

籠罩住整個城市的力場可以讓其中的居民任意減少天氣帶來的影響，這些天氣包括強風、暴雪和龍捲風。

在力場的安全罩的保護下，城市可以被建造在海洋底下，玻璃、鋼鐵和灰漿可以被完全替代。

「不可能」永遠是相對的

讓我們再把目光拉回到現實，近日，美國阿貢國家實驗室加速器控制工程師洪然在一篇文章中說，就目前的這個實驗數據而言，想要取得「革命性的突破」還需要更多的積累。

但這並不是說，未來科幻電影中的情節不會實現。

加來道雄在《不可思議的物理》中說：作為一名物理學家，我認識到「不可能」往往是一個相對的概念。

加來道雄

科學在20 世紀取得了長足的發展，特別是誕生了量子理論與廣義相對論，現在我們已經可以大致估計這些夢幻般的科技將在何時可能被實現。

現在，隨著更為先進的理論（比如弦理論）的產生，連一些屬於科幻範疇的概念（如時間旅行和平行宇宙）也正在被物理學家們重新評估。

回想150 年以前那些被當時的科學家們宣布為「不可能」的科技成果，如今已經成為我們日常生活的一部分。

儒勒·凡爾納在1863 年寫完了一部小說—— 《 20世紀的巴黎》。這部小說被塵封起來，並且被遺忘了一個多世紀，直到凡爾納的重孫發現它，並且在1994 年將其首次出版。

儒勒·凡爾納

在書中，凡爾納預言了巴黎在1960 年可能會呈現的面貌。他的小說中充滿了在19 世紀看來顯然不可能的科技，包括傳真機、一個世界性的通信網絡、玻璃建造的摩天大樓、燃氣動力汽車和高速高架火車。

令人遺憾的是，19 世紀一些最偉大的科學家持相反的立場，並且宣布許多科技是不可能實現的，毫無指望。

開爾文勳爵或許是維多利亞女王時代最傑出的物理學家（他葬於威斯敏斯特教堂，在艾薩克·牛頓的身邊），他宣稱像飛機那樣「比空氣更重的」裝置是不可能實現的，他認為X 光是無聊的把戲，無線電沒有未來。

發現了原子核的科學家盧瑟福爵士對製造原子彈的可能性不屑一顧，認為那是妄想。

離現在更近一些的時候，黑洞曾被認為是科學幻想。愛因斯坦本人在1939 年寫過一篇論文，「證明」黑洞永遠不可能形成。

如果缺少前沿物理學方面的堅實基礎，那麼人類將永遠對著未來科技苦思冥想，而不明白它們究竟是否可行。

回顧整個人類的科學發展史，你會發現這更是史詩級的接力賽。

一次又一次，我們看到，對不可能的事物的研究打開了全新的視野，拓展了人類足跡的疆界，並且迫使科學家們重新對自己所說的「不可能」下定義。

正如威廉·奧斯勒爵士所言：

一個時代的信仰在下一個時代成為謬誤，過去的荒唐愚蠢卻成為明日的睿智。