苗千

物理學(xué)家們正在逐漸陷入一種絕望的情緒之中。

2016年8月3日至10日，在美國芝加哥舉辦的國際高能物理學(xué)大會（ICHEP）上，向全世界發(fā)布的結(jié)果基本上可以總結(jié)為：什么都沒找到。深埋地下的暗物質(zhì)探測器沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子（暗物質(zhì)模型或許需要修改），歐洲核子中心的大型重子對撞機沒有發(fā)現(xiàn)各種理論預(yù)測的奇異粒子（對于超對稱理論的限制進一步加強），假想中的磁單極子也沒有出現(xiàn)。而在2015年讓無數(shù)粒子物理學(xué)家激動得徹夜難眠的一種被認為可能“超越標準模型”、會衰變?yōu)閮蓚€高能光子的假想中的粒子，經(jīng)過物理學(xué)家認真的檢查之后被證明也只是一場誤會，這個假想中的“魔鬼粒子”并不存在，因此之前大半年的時間里眾多物理學(xué)家針對這種假想中的粒子發(fā)表的500多篇論文自然也就變得沒有任何意義了。

物理學(xué)家們正處于前所未有的困惑之中。幾年以來，被寄予厚望的大型重子對撞機做出的唯一重大發(fā)現(xiàn)就是找到了標準模型所預(yù)測的中規(guī)中矩的希格斯玻色子，沒有發(fā)現(xiàn)與之相似的粒子，也沒有發(fā)現(xiàn)空間中更高的維度。在希格斯玻色子之前，粒子物理學(xué)上一次做出重大發(fā)現(xiàn)還是在1995年發(fā)現(xiàn)頂夸克，而這種粒子早在1973年就被理論預(yù)測存在了。

物理學(xué)家們追求自然的對稱性，追求數(shù)學(xué)上的美感，甚至執(zhí)著地追求某種“自然性”（naturalness），卻無所收獲，各種理論一一落空，物理學(xué)家們不得不承認他們可能犯了錯誤，他們所追求的自然性并不被自然所認可。有物理學(xué)家形容目前高能物理學(xué)領(lǐng)域正處于“噩夢般的情境”，被困在標準模型中無從突破，可能比不發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子更糟。

轉(zhuǎn)機或許會在人們此前沒有想到的地方出現(xiàn)。2016年8月12日，德國馬克斯·普朗克研究所量子光學(xué)研究中心的物理學(xué)家倫道夫·波爾（Randolf Pohl）與同事們共同在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表論文《μ介子氘的激光光譜》（Laser Spectroscopy of Muonic Deuterium）。這篇題目平淡無奇的論文發(fā)表后一個多星期的時間里已經(jīng)在物理學(xué)界引發(fā)了各種討論，原因就在于它重新提起一個物理學(xué)老問題：質(zhì)子到底有多大？

現(xiàn)在人們普遍認為電子是一個沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的點狀粒子，但是質(zhì)子不同，質(zhì)子是由夸克和膠子所組成的內(nèi)部充滿相互作用的粒子，它具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大小。那么質(zhì)子到底有多大？目前國際上使用的質(zhì)子半徑數(shù)值為0.8751（61）飛米（1飛米是10-15米），這個數(shù)字是此前物理學(xué)家通過電子散射和原子光譜兩種不同的方法分別得出的，兩種不同的方法得出了非常相近的結(jié)果，因此被全世界的物理學(xué)家普遍認可。

波爾則一直試圖通過另一種方式來更精確地測量質(zhì)子的大小，與通常采用電子不同，他選擇μ介子與質(zhì)子相結(jié)合。μ介子相當(dāng)于電子的表親，它和電子一樣也帶一個負電荷，但質(zhì)量是電子的207倍。根據(jù)描述原子核內(nèi)部相互作用的量子色動力學(xué)（QED）的描述，帶正電的質(zhì)子與電子或是μ介子的相互作用應(yīng)該并無不同，但是因為μ介子的質(zhì)量更大，在不同的能級運動時與質(zhì)子的距離更近，因此在理論上測量的精度應(yīng)該更高。

測量微乎其微的質(zhì)子，難度可想而知。波爾從1998年開始籌劃，直到10多年后才成功進行實驗。2010年7月8日，他在《自然》（Nature）雜志發(fā)表論文《質(zhì)子的大小》（The Size of the Proton），探討利用μ介子代替電子測量質(zhì)子大小的實驗。此后他不斷改進實驗手段，2016年他在《科學(xué)》雜志發(fā)表的論文，又一次報告了他的最新測量結(jié)果：與他之前的實驗結(jié)果相似，比目前國際上普遍接受的數(shù)字小4%——謎團又加深了。

波爾利用一束激光射向μ介子氘（由一個質(zhì)子和一個中子組成原子核，外部圍繞著μ介子）蒸氣，大約有1%的μ介子有可能受到激光的激發(fā)躍遷到更高能級，處于激發(fā)態(tài)的μ介子可能由此釋放出X射線，實驗人員通過測量釋放的X射線進而推導(dǎo)出質(zhì)子的半徑。波爾測量的質(zhì)子半徑為0.84087（39）飛米，與標準值看上去相差無幾，卻引發(fā)了一個深刻的問題：為什么利用μ介子和利用電子測量質(zhì)子半徑，會出現(xiàn)兩個不同的結(jié)果？固然有可能是實驗儀器的問題。波爾自己也承認，對于這個尺度的測量來說，更換任何儀器都可能會出現(xiàn)較大的偏差。另一方面，對于這樣一個籌劃已久、進行過多次的實驗，得出的結(jié)果始終與標準值有較大偏差，很多人相信其中還有更深刻的原因。

波爾懷疑，兩個實驗數(shù)值的偏差是由人類對于里德伯常數(shù)測量的不精確造成的，這個常數(shù)用來描述處于激發(fā)態(tài)的原子譜線，對它測量的不準確可能導(dǎo)致質(zhì)子半徑計算的誤差。但目前已經(jīng)有物理學(xué)家開始把突破標準模型的希望寄托在質(zhì)子大小的測量上。有人認為，對于質(zhì)子半徑的測量之所以有不同，在于質(zhì)子與電子和μ介子兩者的相互作用并不完全相同。在質(zhì)子和μ介子之間，可能還存在著一種尚不為人所了解的相互作用，也就是“第五種力”，正是這種相互作用的存在導(dǎo)致了實驗結(jié)果的偏差。從2010年以來，已經(jīng)有數(shù)百篇論文描述這種神秘的相互作用——如果它確實存在的話。

更多的實驗即將進行。有的實驗計劃同時利用電子和μ介子進行測量，觀察兩者的結(jié)果是否還存在著4%的偏差，有的實驗計劃繞過里德伯常數(shù)進行測量，而波爾的研究小組則計劃利用μ介子氦做進一步實驗——氦原子核中存在著兩個質(zhì)子，因此，如果μ介子與質(zhì)子之間存在著某種神秘的相互作用，兩個質(zhì)子參與的效果會更加明顯。

實驗還會繼續(xù)，現(xiàn)在把物理學(xué)研究突破標準模型的目標寄托在質(zhì)子半徑的測量實驗上未免太過樂觀，不過物理學(xué)家們的心情可以理解。幾十年來，基礎(chǔ)物理學(xué)沒有任何真正的突破，各種新奇的理論假設(shè)層出不窮，卻紛紛被證明沒有現(xiàn)實依據(jù)。目前物理學(xué)家的一切活動，乃至思維框架，仍被限制在100年前物理學(xué)革命時期所限定的量子力學(xué)和相對論框架之內(nèi)，真正的突破或許恰恰來自于人們始料未及處。

（本文寫作參考了《物理世界》雜志和《科學(xué)》雜志的報道）