物理界大地震！新实验结果强烈暗示存在超出目前人类理解范围的新发现

驻在平安夜前夕

2021
04/09
07:19
腾讯科技


“超出标准模型”对于物理学界意义重大，暗物质、暗能量以及如何把万有引力纳入量子力学的框架可能都需要突破标准模型。如果这个发现进一步确认，那么这意味着人类几乎止步不前的基础物理又向前迈进了一大步，也预示着为我们打开了一扇新的窗口。

文 | 腾讯科技 乔辉

当地时间4月7日，美国费米实验室发表了一个非常重要的首批实验结果：他们发现，一种叫缪子（muon）的基本粒子在磁场中表现出来的行为与目前基本粒子标准模型预言的结果有所差别，这一下子戳到了物理学家的兴奋点！因为这预示着很可能存在超出标准模型的新物理，该结果发表在了国际著名物理期刊《Physical Review Letters》上。

驻在平安夜前夕

                               
登录/注册后可看大图

图注：缪子储存环。图源：费米实验室。

驻在平安夜前夕

超出标准模型有什么重要的吗？当然重要！暗物质、暗能量以及如何把万有引力纳入量子力学的框架可能都需要突破标准模型。如果这个发现进一步确认，那么这意味着人类几乎止步不前的基础物理又向前迈进了一大步，也预示着打开了一扇新的窗口，说不定能发现一个全新的物理世界呢。

值得一提的是，目前这个发现的精度为4.2个标准方差，意味着出错的可能性大约为四万分之一！这还不够，在物理学上，一个斩钉截铁的发现要求精度达到5个标准方差以上。但目前这个阶段性成果已足够令人兴奋了，仿佛是正在经历慢慢长夜的人们看到了黎明前的曙光。

据悉，费米实验室的第二期和第三期数据正在分析中。与此同时，新实验还在进行第四期的取数，接下来还会有第五期的运行。未来，通过分析全部五期的数据，物理学家们能够得到更加精确的测量结果，从而对新物理的寻找更加充满信心。

驻在平安夜前夕

什么是基本粒子的标准模型？什么是缪子？

我们大家都熟悉化学元素周期表，周期表包含了迄今组成我们世界的元素种类。从人体到高楼大厦，从高山河流到日月星辰都可分解为已知的元素。

物理学中的基本粒子标准模型更下探一步，指出不同元素及其同位素只不过是由原子核中质子数和中子数的不同造成的，而中子和质子则由更小的称为“夸克”的基本粒子组成。

总体来讲，我们日常接触到的物质不外乎由上夸克、下夸克和电子组成。从最基本的层面看，你和美女没有差别，都是由夸克和电子组成的。当然，从宏观层面看，人与人之间当然是不同的，世界上不存在完全相同的两片树叶嘛。

驻在平安夜前夕

                               
登录/注册后可看大图

图注：基本粒子标准模型。

那么，世界上有几种夸克？有几种电子？除了夸克和电子外，还有什么基本粒子呢？物理学家通过分析来自宇宙的高能射线以及在加速器上产生的各种奇奇怪怪的粒子，最终梳理出一个非常整齐的基本粒子标准模型。

驻在平安夜前夕

该模型包含了6种夸克：上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克以及底夸克，除了上夸克和下夸克能稳定存在外，其他的夸克产生后很快就衰变掉了，不参与组成我们的世界。

该模型还包含6种轻子：电子、电子型中微子、缪子、缪子型中微子、陶子和陶子型中微子。

除此之外，还包含传递电磁相互作用的光子、传递弱相互作用的中间玻色子以及传递强相互作用的胶子。最后还包含2012年才发现的希格斯玻色子，就是媒体上通常称谓的“上帝粒子”。

因此，缪子是标准模型中的一个粒子，其行为和电子类似，同样带一个单位的电荷和相同的自旋，只是比电子“更胖”，质量是电子的207倍，可以形象地看作“胖电子”。

驻在平安夜前夕

数据反常具体表现在哪里？

由于基本粒子物理离我们生活有点远，其中牵扯到较多的陌生概念，我试着用一种不太严谨的定性语言来描述一下。

                               
登录/注册后可看大图

驻在平安夜前夕

用日常生活的语言来讲，基本粒子就像电影《盗梦空间》中的小陀螺一样，永不停歇地旋转。我们拿电子为例，它的自旋会产生一个对应的磁场，磁场有南北极，因此就有一个磁矩。如果用经典物理来计算，磁矩与角动量的比值是一个常数，不妨记作K。但电子是微观粒子，遵循量子力学定律，用量子力学的计算表明，这个常数为2K。也就是说，量子计算和经典计算之间相差一个为2的因子，物理上称为g因子。但用更严格的量子场论计算表明，g因子并不严格等于2，而是2.002319304362，实验测定值为2.002319304361，两者在小数点后11位都相等，精度令人发指。

对于比电子“胖”的缪子来讲，g因子的理论值与实验值符合得也这么好吗？非也！最近的测量表明：缪子g因子为2.00233184122(82)，而理论值为2.00233183620(86)。理论值与实验值在小数点后7位就开始出现差异了。

理论是同一个理论，为什么用来处理电子能够如此好用，用来处理缪子就相对不太好用了呢？因为缪子更重。

在量子场论看来，真空并不是真的空无一物，而是充满了不断产生和湮灭的虚粒子，这些虚粒子与电子相互作用，导致了g因子与2的偏离。由于缪子比电子质量更大，它与真空中的虚粒子作用的方式也会不同，容易感受到电子很难感受到的虚粒子种类。

驻在平安夜前夕

超出标准模型的新物理会是什么？

如果最终完全确定了这个实验与理论的偏差，那么我们会发现什么新物理呢？这个问题目前尚无定论，可能是一种新粒子，甚至是一种传递全新相互作用的粒子，那么这种相互作用是完全独立于引力、电磁、强力和弱力这四大相互作用的相互作用，或者说是第五种力。如果最终真的是这样，那么这个结果将是世纪大发现。

                               
登录/注册后可看大图

图注：人类已知的四种基本相互作用（力），分别为：使苹果下落的万有引力，让磁铁吸引铁钉的电磁力，约束原子核的强力以及让粒子发生衰变的弱力。

另外，这个新发现还可以为我们解开暗物质和暗能量的谜团提供新思路。

因此，缪子g因子的理论值与实验值的偏差打开了人类窥视新物理的窗口，这是几十年来物理学家梦寐以求的事情。让我们期待实验结果精度的进一步提高，来一起见证基础物理的新突破。

小辣椒

这些好像很深奥哦，小辣椒不懂的

驻在平安夜前夕

小辣椒 发表于 2021-4-10 12:16
这些好像很深奥哦，小辣椒不懂的

中国数学迎来黄金一代 十年时间能与美国并驾齐驱？

2021年04月09日 07:27 中国新闻周刊

　　原标题：中国数学迎来黄金一代，十年时间能与美国并驾齐驱？

　　他们甘愿投入到一场

　　漫长而孤独的数学探索之旅

　　并成为引领世界数学发展的人

                               
登录/注册后可看大图

王兵。摄影/本刊记者 李明子

驻在平安夜前夕

驻在平安夜前夕 发表于 2021-4-10 12:51
中国数学迎来黄金一代 十年时间能与美国并驾齐驱？

2021年04月09日 07:27 中国新闻周刊

　　数学的黄金一代

　　本刊记者/李明子 霍思伊

　　发于2021.4.12总第991期《中国新闻周刊》

　　2017年12月3日晚，位于美国加州硅谷的艾姆斯研究中心名流云集，到场者中近一半是知名科技公司创始人与投资人，另一半是好莱坞影星和当红歌手，他们都是为素有“科学界奥斯卡”之名的科学突破奖的颁奖典礼而来。

　　场外红毯上聚光灯闪烁，多家中国媒体也在此等候。当晚，两位来自中国的数学家——恽之玮和张伟，斩获了该届科学突破奖的新视野数学奖。科学突破奖由俄美两国企业家于2012年共同发起，除设有生命科学、基础物理学和数学三个领域单项高达300万美元的大奖外，还设立了面向年轻科学家的新视野奖，奖金10万美元。

　　恽之玮与张伟同为“80后”，且是北京大学数学科学学院2000级本科同学。获奖时，两人分别在美国耶鲁大学和麻省理工学院任教授。颁奖典礼上，两人不约而同地选择了白衬衫搭配一身黑色西装，张伟佩戴了一个黑色领结，恽之玮则戴了一条蓝底白色波点的领带，恽之玮当时和记者打趣说：“数学家平时没有机会穿得这么帅。”

　　恽之玮和张伟的获奖原因，是因为他们发现证明了函数域中的高阶Gan-Gross-Prasad猜想。他们求证的“等式”连接了几何和数论的两个量，《量子杂志》撰文称恽、张二人的合作研究是“过去三十年来在数论重要领域最令人激动的突破之一”。

驻在平安夜前夕

驻在平安夜前夕 发表于 2021-4-10 12:51
　　数学的黄金一代　　本刊记者/李明子 霍思伊　　发于2021.4.12总第991期《中国新闻周刊》　　2017年12 ...

　　“最辉煌的时候”到来

　　两人合作研究的起点，可追溯到2014年冬天，同样是在美国西岸的加州。恽之玮在接受《中国新闻周刊》采访时回忆说，张伟在2009年上半年提出的“算术基本引理”问题是两人后来合作的关键，“它引发了后续的所有的发展。”恽之玮说。针对张伟的“算术基本引理”，恽之玮提出了一些几何上的解决办法，已经得到了部分验证，但这个推广到数论上，是否有可能，他不确定。2010年时他就问过张伟这个问题，对方当时无法回答，直到2014年，张伟无意中在自己的研究中接触到几个对象，突然意识到，恽之玮的想法在数论上能够实现。

                               
登录/注册后可看大图

2015年7月，（左起）恽之玮、李志远、许晨阳在美国。图/受访者提供

驻在平安夜前夕

驻在平安夜前夕 发表于 2021-4-10 12:52
　　“最辉煌的时候”到来　　两人合作研究的起点，可追溯到2014年冬天，同样是在美国西岸的加州。恽之玮 ...

　　2014冬天，恽之玮去加州的伯克利参加数学科学研究所（MSRI）关于几何方法与数论的一个学术活动，张伟则去参加数学家迈克尔·哈里斯的60岁生日会议，恽之玮和张伟的本科同学袁新意从2012年开始在美国加州大学伯克利分校执教，就担任了这次会面的东道主。三人自毕业后，再次聚到了一起。

　　张伟和恽之玮一碰面，就说他知道“要证明什么”了。当晚，恽之玮用几何检验了一些简化的情形，认为可行。在四五天的会议期间，两人迅速“快进”到“如何证明”，袁新意在伯克利找了一块黑板让他们不停地演算。2014年冬天的这次相聚开启了恽之玮和张伟几个月后的正式合作，并一路通关，打通数论和几何的两个量的连接。

驻在平安夜前夕

驻在平安夜前夕 发表于 2021-4-10 12:52
　　2014冬天，恽之玮去加州的伯克利参加数学科学研究所（MSRI）关于几何方法与数论的一个学术活动，张伟 ...

　　同样是2014年，在美国大陆的另一侧，28岁的中国数学家孙崧正在纽约州立大学石溪分校任助教，他与同校教授、导师孙秀雄，及数学领域国际最高奖——菲尔兹奖的得主、英国数学家西蒙·唐纳森一起，也有了一个重大突破。

　　他们的研究要从物理学谈起。理论物理学中的弦理论认为，宇宙是十维时空，但这些复杂的高维空间必须是“卡勒—爱因斯坦度量”。为此，意大利数学家卡拉比提出了“卡拉比猜想”，即复杂的高维空间是由多个简单的多维空间“粘”在一起，也就意味着高维空间可通过一些简单的几何模型拼装得到。1975年，丘成桐等人攻克了陈类为负和零的“卡拉比猜想”，但只有第一陈类为正的问题得以解决，才能证实“卡勒—爱因斯坦度量”。这个困扰国际学界几十年的“丘成桐猜想”，最终在2014年被陈秀雄、唐纳森与孙崧突破。五年后，三人共同获得了几何学与拓扑学领域的最高荣誉——维布伦几何学奖。

驻在平安夜前夕

驻在平安夜前夕 发表于 2021-4-10 12:52
　　同样是2014年，在美国大陆的另一侧，28岁的中国数学家孙崧正在纽约州立大学石溪分校任助教，他与同校 ...

　　孙崧的师兄王兵当时在美国威斯康星大学麦迪逊分校任教。恰巧也是在2014年，王兵在与导师陈秀雄历时五年研究后，证明了“哈密尔顿-田”和“偏零阶估计”这两个国际数学界20多年悬而未决的核心猜想，他们的成果预印本张贴到学术网站后，在行业内引起震动。在经历一系列波折后，文章于2020年发表在国际顶级数学期刊《微分几何学杂志》上，唐纳森称赞这篇研究是“几何领域近年来的重大突破”。

　　当时，孙崧的本科师弟陈杲刚到美国两年，也在陈秀雄的指导下攻读博士，当时正在研究霍金于1977年提出的“引力瞬子”问题，这是霍金为了物理界的大统一模型提出的数学问题，在数学界有非常重要的意义。陈秀雄和陈杲在2015年解决了这一问题，当时年仅21岁的陈杲因此得到了国际数学界的认可。

驻在平安夜前夕

驻在平安夜前夕 发表于 2021-4-10 12:52
　　孙崧的师兄王兵当时在美国威斯康星大学麦迪逊分校任教。恰巧也是在2014年，王兵在与导师陈秀雄历时五 ...

　　今年年初，陈杲回到了中国科大几何与物理研究中心，被聘为特任教授。3月，陈杲发文宣布解出了陈秀雄与唐纳森独立提出的J方程，及丘成桐等人提出的超临界厄米特—杨振宁—米尔斯方程的变形，陈秀雄评价他的研究工作“极具想象力”。在接受媒体采访时，身材清瘦、穿一件蓝白格子衬衫的陈杲不紧不慢地解释说，这两个方程分别描述的是大到宇宙尺度和小到量子尺度上的物理现象，两个物理方程之间原本就存在沟通桥梁，而自己的研究成果相当于提供了一个新的沟通路径。

　　2018年，在巴西里约热内卢举办的国际数学家大会上，有12位中国数学家受邀作45分钟报告，其中有5位大陆学者，7位中国大陆赴海外的数学家，恽之玮、张伟、孙崧均在受邀之列。大会邀请的1小时大会报告（Plenary）和45分钟报告（Session），一般被认为代表了近期数学科学中最重大的成果与进展，因此，这无疑是国际数学界对他们工作的高度肯定。

驻在平安夜前夕

驻在平安夜前夕 发表于 2021-4-10 12:53
　　今年年初，陈杲回到了中国科大几何与物理研究中心，被聘为特任教授。3月，陈杲发文宣布解出了陈秀雄 ...

　　十年前，华人数学家、现任美国普林斯顿大学数学系教授张寿武在访谈中曾表示，“我知道的就有10人左右，他们非常聪明，而且是同一代人……他们每个人的水平都与我们相差无几！他们是中国数学的未来，到他们的时代，应该是中国数学最辉煌的时候。”

　　当时，张寿武如数家珍般列出了几个名字，包括北大毕业的袁新意、恽之玮、朱歆文等人，这些年轻的数学家现在几乎已经斩获了除菲尔兹奖外所有年轻数学家可以获得的国际数学奖项。如今，闪耀在数学星空中的华人数学新星远不止这十几位，本科毕业于中国科学技术大学的王兵、孙崧、陈杲等人亦在国际数学界崭露头角。张寿武口中的“中国数学最辉煌的时候”正在到来。

驻在平安夜前夕

驻在平安夜前夕 发表于 2021-4-10 12:53
　　十年前，华人数学家、现任美国普林斯顿大学数学系教授张寿武在访谈中曾表示，“我知道的就有10人左右 ...

                               
登录/注册后可看大图

2017年5月，陈杲（左）与沃尔夫奖得主沙利文教授合影。图/受访者提供

驻在平安夜前夕

驻在平安夜前夕 发表于 2021-4-10 12:53
2017年5月，陈杲（左）与沃尔夫奖得主沙利文教授合影。图/受访者提供

　　天赋“无非是大量时间积累的结果”

　　2014年冬天的相聚过后，恽之玮和张伟于次年2月正式开始合作，两人密集地讨论每一步证明和各自的任务。恽之玮从代数几何的角度切入，张伟负责数论的部分，在冥冥中，两人顺着两条原本并不相干的小径各自前行，突然有一天，他们遇到了对方。函数域上有很多现象，实际上在数域上是不存在的，但恽之玮和张伟发现，L函数的高阶导数具有几何意义，这是函数域特有的现象。

　　所谓L函数，1967年，数学家罗伯特·朗兰兹曾提出：“三个相对独立发展起来的数学分支：数论、代数几何和群表示论，实际上是密切相关的，而连接这些数学分支的纽带是一些特别的函数，被称为L函数。” 这个试图统一数学各大分支的构想，也被称为“朗兰兹纲领”。