宇宙为什么会存在? 因为电子...

文章作者:bianji3 | 2017-11-13
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    西方的宇宙概念强调的是所有星系(即所有物件),但暗含着所有物件都只存在于时空中,而古中国的传统宇宙概念强调的则是时空,但其实也暗含着时空中必有物质。宇宙定义把东西方两个定义合璧了明确表达出了全人类的宇宙观。

    我们的宇宙蕴藏着众多尚未破解的难题,而宇宙的存在本身,就足够令人费解。宇宙大爆炸创造了等量的物质与反物质,它们之间的碰撞理应让宇宙消失,而阻止这一进程的,只能是某种不为人知的不对称性。为了找出物质与反物质之间的不对称性,物理学家已经做了很多尝试。而现在,他们正将寻找对象对准了电子——如果电子不够圆,那么宇宙存在的悖论或许就将破解。

  在138亿年前的那场大爆炸之后,物质构成了宇宙中的每一个星系、每一颗行星,以及每一个生命。但在宇宙起源的背后,是一个至今未能破解的难题:按照目前的理论,大爆炸过程创造出等量的物质与反物质。当物质和与之对应的反物质相遇,例如电子与正电子碰撞,将发生湮灭——物质消失而只剩下能量。

  按照这一理论,宇宙中的所有物质都应该消失,宇宙也随之毁灭。然而,当我们站在这里,就意味着整个过程中一定存在某种漏洞——事实上,在大爆炸发生后,大约十亿分之一的物质依然存活到了今天

  为了解开物质-反物质的悖论,物理学家认为,物质与反物质之间一定存在着某种不为人知的不对称性。此前,物理学家对物质与反物质的质量、电荷等性质进行了精确的测量,却始终没有找出任何不对称的迹象。

  1967年,当安德烈·萨哈罗夫研究物质-反物质不对称时,发现一个看上去毫无关联的对称性——时间反演对称。当其被破坏时,才能保证宇宙各处物质都比反物质多。而打破这一对称性的,可能是一个意想不到的答案:电子的形状

电子的形状,或许是解开物质-反物质谜团的关键电子的形状,或许是解开物质-反物质谜团的关键

  在很多人眼里,电子只是一个带负电荷的几何点;但是对于一些物理学家来说,它是一团有大小、有形状的云——不是原子周围的电子云,而是电子本身。这团云由电子中心周围不断出现消失的正反粒子对组成,从而赋予了电子的形状。

  很多物理学家怀疑,电子并非完美的球形,而是因为电荷分布的不均匀而呈蛋形。而一旦电子的电荷分布不均匀,也就是存在电偶极距(electric dipole moment,EDM),就可能对宇宙的起源问题产生极其深远的影响。按照标准模型理论,无论时间向前还是向后,物理过程都不会发生变化。而电子EDM的存在,则将违背时间反演对称。

根据目前的试验结果,如果电子存在电偶极距,其扭曲的上限约为10-27 mm。根据目前的试验结果,如果电子存在电偶极距,其扭曲的上限约为10-27 mm。

  不过,电子EDM的测量却绝非易事。为了测量电子可能存在的EDM,一个不难想到的手段是,将电子放进一个电场中。如果EDM存在,电子会出现进动(其自转轴在电场作用下旋转),这时科学家就能从电子的进动周期推测出EDM。但在实际操作中,测量EDM这么小的量需要的电场强度超出了实验室能产生的强度,而且强大的外加电场会让电子还没来得及测量就飞到正极去了。

  因此,研究人员一般利用分子和中性原子的内部电场(强度比实验室能产生的高百万倍)。为了得到足够强的信号,一般需要把足够数量的分子/中性原子对齐,调整到同一状态,然后再诱发外层电子(或价电子)的进动。为此,研究人员将待测分子/中性原子制成粒子束射入测量区域。粒子束不可能在测量区域待很久,这大大限制了测量的时间。尽管如此,在射出两千五百多万束氧化钍(ThO)分子后,哈佛大学和耶鲁大学的ACME组还是在2014年的Science期刊发表了重要的阶段性成果:虽然没有观测到EDM,但这也表明,电子EDM的上限是8.7 *10-29e·cm,这是人类所能达到的极限。而要想继续探索EDM是否存在,则需要进一步提升试验灵敏度。

  在近期发表于Physical Review Letters的论文中,科罗拉多大学博尔德分校JILA研究所的Eric Cornell团队采取了不同的策略,他们不使用粒子束,而是把四氟化铪离子束缚在旋转的电场中,这样离子不会直线飞出测量区域,而是沿着弧线飞出,这给了研究者更长的观测时间以提高测量敏感度。2013年,他们把测量电子进动的时间提高到了100毫秒;而在上个月新发表的结果中,他们已经将这个时间提高到了700毫秒。由于仍然没有测得EDM,这意味着EDM的上限不会超过1.3 *10-28 e·cm。

JILA Cornell组的实验概览。用旋转电场离子化-诱发电子进动-激光解离确定进动朝向。JILA Cornell组的实验概览。用旋转电场离子化-诱发电子进动-激光解离确定进动朝向。

  目前Cornell团队测得的结果尚未超过此前的记录。Cornell表示,他们的实验还有提高的余地,因为离子之间会相互干扰对方的自旋,从而限制了离子可以同时被测量的数量。

  为了获得更好的结果,Cornell 在10月已经开始了新的研究,他困住了更多的离子,这“将在2年内,使敏感度提高10倍”,他也有信心将测量时间提高到1秒以上。为了提高观测时间,Cornell还计划在今后用稳定性更高的氟化钍进行试验。

与此同时,其他研究团队也在通过不同的手段,试图测出电子的EDM。宾州州立大学的Weiss计划用激光将冷却的铯原子束缚几秒钟,并希望将目前的记录提高30倍。2013年的记录保持者,来自帝国理工学院的研究团队,计划在5年内将记录提升1000倍。该团队的领导者Hinds表示,如果在这一灵敏度下仍然没有发现EDM,就将意味着预测EDM存在的许多假说都将宣告失效。

  到目前为止,没有一个实验能说明EDM有非零值,这些组都希望打破这个记录。可以预见的是,在今后数年间,或是EDM出现的新闻引爆整个物理学界,物理学将翻开新的篇章;或是随着灵敏度的不断提升,EDM始终未能出现,直至整个假说的坍塌。但无论如何,对于“宇宙为什么会存在”这个问题,我们的思考与探索将一直持续下去。

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