停滞百年的基础物理学，可能迎来重大突破？第五种力要被发现了？

基础物理学是其他自然科学的基础，也是人类科技进步的源泉，但在过去的近百年时间里，人类的基础物理学一直没有什么大的进展。

不过这样的情况或许发生改变了，根据费米实验室传来的消息，人类已停滞百年的基础物理学，可能即将迎来重大突破，因为宇宙中的第五种力可能要被发现了，怎么具体回事呢？这要从微观世界中的电子开始讲起。

在粒子物理标准模型中，电子是一种基本粒子，它是存在自旋的，我们可以简单地理解为，电子会不停的旋转，而由于电子是带电粒子，因此它们的自旋就会产生一种被称为“磁矩”的物理量。

(相关资料图)

基本粒子的磁矩可以通过“μ = gs(e/2m）”来进行描述，其中μ、s、e、m分别代表基本粒子的磁矩、自旋、电荷和质量，g则被称为“g因子”，由于基本粒子的磁矩、自旋、电荷和质量都是可以直接测量的，因此通过实际测量的数据，就可以计算出基本粒子的“g因子”的具体数值。

实际上，科学家确实也这样做了，在过去的研究中，科学家通过对电子的大量实测数据计算出，电子的“g因子”数值是2.002319304361，随后就遇到了一个问题，要知道“g因子”也可以通过理论来直接计算，而根据经典物理学的计算结果却表明，电子的“g因子”数值应该不多不少地等于2，也就是说，实际测量的结果与理论值出现了很大的差异。

为什么会出现这样的现象呢？科学家在深入研究后得出的结论是：这应该与量子力学中的虚粒子有关。

简单来讲，根据量子力学中的不确定原理，宇宙中的能量会不断地出现极为短暂的涨落，进而持续地激发出虚粒子，而这些虚粒子总是会成对地出现，然后在极为短暂的时间消失。

因为这样的情况在宇宙中无处不在，即使是在真空中也会持续出现，所以在此过程中，这些虚粒子就有可能与基本粒子发生相互作用，进而造成实际测量的结果与理论值存在着一定的差异。

科学家随后根据量子力学中的相关理论，对“g因子”的计算方法进行了修正，并根据新的计算方法计算出电子的“g因子”的理论值为2.002319304362，可以看到，这个数值与前面提到的实际测量的结果差异极小，可以说两者基本上是一样的。

时间来到2021年，在这一年里，费米实验室使用了μ子的实测数据来对“g因子”的理论值进行验证。

简而言之，μ子也是一种基本粒子，它的自旋和电荷与电子相同，但质量却是电子的大约200倍，所以μ子也常被人们戏称为“胖电子”。

在实验过程中，研究人员通过质子撞击的方式制造了数亿个μ子，这些μ子被注入到一个直径约15米的环形真空管道中，并通过磁场将其加速到接近到光速，在此过程中，研究人员就可以通过精密的探测器来测量到它们在磁场中的旋转角度、运动状态等具体数据，进而根据这些数据计算出其“g因子”的数值。

根据预先的设想，基于μ子的实测数据计算出的“g因子”，其数值应该与理论值非常接近，就像电子一样，但实验结果是令人意外的，因为μ子的“g因子”的理论值应该是2.00233183620，而根据此次实验的实测数据计算出的结果却是2.00233184122，两者之间存在着不可忽视的差异。

这又是为什么呢？考虑到此前基于电子的实验结果与理论值高度吻合，因此测量的方式方法和理论值的计算方法都可以认为是没有问题的，所以一个合理的解释就是，有一种未知的力量或粒子影响了实验的结果。

更重要的是，根据现代物理学的相关理论，如果这种“未知的力量”真的存在，那它就不属于宇宙中的四大基本力（即引力、电磁力以及强、弱相互作用力）中的任何一种。

正因为如此，科学家才认为，此次实验可能发现了宇宙中的第五种基本力，由于此次实验结果的标准差只达到了4.2σ，大概意思就是因不确定因素导致判断有误的概率只有几万分之一，而在物理学中有一个“5σ准则”，意思就是说，只有达到了5σ才可以认为是“发现”级别，所以此次实验结果只能说是“可能”发现了宇宙中的第五种力，而不是确定的结论。

不过在接下来的时间里，费米实验室并没有停止这项实验，相关的研究工作也一直在进行之中，在2023年8月，费米实验室公布了实验第二年和第三年的全部实测数据，其中最新一轮的数据量更是相当于第一轮的4倍，而实验的精度也提升了一倍。

费米实验室表示，在后续的研究工作中，研究人员将会完成对这个庞大的数据集的分析，预计在2025年之前给出结果，如果届时的标准差达到或超过了5σ，那就意味着我们可能发现了宇宙中的第五种力，也可能发现了一种全新的粒子，而停滞百年的基础物理学，也将因此迎来重大突破。不得不说，这确实是一件令人期待的事。

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