新物理学的证据—电子的形状,宇宙为什么存在物质而非空无一物?

康托的天堂 2023-04-12 00:05:40

在量子力学中,电子通常被描述为一个负电荷的球状云。在理论上,电子的形状被认为是完美的球体,这意味着它的电荷均匀分布在其整个表面。然而,电子实际上是一个量子粒子,因此它没有固定的大小和形状,而是以概率分布的形式存在于一个特定的空间区域。在实验中,科学家们努力测量电子的电偶极矩,以确定它是否具有非球形的形状。到目前为止,所有的测量结果都显示电子非常接近于球形。

电偶极矩(Electric Dipole Moment,简称 EDM)是描述分布在物体中的正负电荷之间距离的向量量。它反映了一个物体的电荷分布在空间中的不对称性。具有非零电偶极矩的物体表明正负电荷分布不均匀,具有明显的正负两极。

如果电子的形状不那么“球”,那么这可能有助于解释物理学理解中的一些基本问题,包括宇宙为什么存在物质而非空无一物。

鉴于这个问题的重要性,过去几十年来,物理学家一直在坚持不懈地寻找电子形状中的任何不对称。如今实验的灵敏度已经达到了相当高的水平,以至于如果把一个电子放大到地球的大小,它们能够检测到北极处一个仅高出一个糖分子的隆起。

最新的结果显示:电子比那还要圆(那样的隆起都没有)。这一新的测量结果让那些希望寻找新物理学迹象的人感到失望。

标准模型的缺陷

粒子物理的标准模型是我们目前对宇宙中所有基本粒子的最完整和最准确的理论描述。在过去几十年的实验测试中,这个理论表现得非常出色,但仍然存在一些尚未解决的重要问题。这些问题在当前的理论框架下无法得到解释,需要寻找新的物理学理论来解决。

首先,物质的存在本身就证明了标准模型是不完整的,因为根据这个理论,大爆炸应该产生相等的物质和反物质,这些物质和反物质本应相互湮灭(annihilated)。

在1967年,苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫提出了一个可能的解决方案,以解释为什么物质在宇宙中占据主导地位。他的推测是指,在自然界中一定存在一种特殊的微观过程,当这个过程反向进行时,它的表现形式会有所不同。这可能导致物质在宇宙中逐渐占据主导地位,而反物质则相对较少。

在此之前的几年里,物理学家们已经在介子(kaon)粒子的衰变中发现了这种现象。然而,这个现象仅仅发现在介子中还不足以解释物质和反物质之间的不对称现象,因此科学家们继续寻找其他可能的解释。

来自介子衰变的新物理可能性

从那时起,物理学家们一直在寻找能进一步解释物质和反物质不对称现象的新粒子的线索。这意味着,他们希望找到一种或多种新粒子,这些粒子可能对物质和反物质的演化过程产生更大的影响,使得物质在宇宙中更加占据主导地位。这些新粒子可能是目前已知粒子模型之外的未知粒子,它们的发现将有助于揭示物理学中尚未解决的谜团。

有些物理学家为了寻找新粒子和新物理现象,直接使用大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)。大型强子对撞机是一个巨大且复杂的粒子加速器,被认为是人类建造过的最复杂的机器。它通过将粒子加速到接近光速并相互碰撞,来探测新粒子和新物理现象,从而提供关于宇宙基本粒子和力的更多信息。

但在过去的几十年里,一个相对低成本的替代方法出现了:物理学家们在研究已知粒子的性质时,会观察假设的(未被发现的)粒子是否会影响这些性质。通过研究已知粒子性质的变化,科学家们可以推测可能存在的新粒子,这有助于拓展我们对基本粒子和力的理解。这种方法是寻找新物理学的一种间接手段,通过寻找新粒子在已知粒子上留下的"足迹",而非直接观察新粒子本身。

这样一个潜在的足迹可能出现在电子的圆度上。量子力学规定,在电子的负电荷云中,其他粒子不断地闪现并消失。如果存在一些超出标准模型的“虚拟”粒子(这些粒子有助于解释原始物质为何比反物质更占优势),那么电子的负电荷云可能呈椭圆形。在这种情况下,椭圆形的一端将具有较多的正电荷,而另一端将具有较多的负电荷,这类似于磁铁的两端。这种电荷分离现象被称为电偶极矩(EDM)。

标准模型预测电子的EDM非常微小——比目前技术能探测到的小近百万倍。因此,如果研究人员在今天的实验中检测到一个椭圆形状,那将揭示新物理学的明确痕迹,并揭示标准模型中可能缺失的部分。

为了寻找电子的电偶极矩,科学家会观察电子自旋(一种固有属性)的变化。电子的自旋可以通过磁场轻松调整,其中磁矩充当一个把手。在这些实验中,研究人员的目标是通过电场而非磁场来调整电子的自旋,此时电偶极矩充当一个电把手。也就是说,如果电子是完美的球形,那么在施加电场时,没有地方可以施加扭矩使电子自旋改变方向。但如果电子有一个明显的电偶极矩,即电荷分布不均匀,那么当施加电场时,它将利用电偶极矩来影响电子的自旋。

2011年,伦敦帝国理工学院的研究人员发现,通过将电子与一个质量较大的分子相结合,可以放大这种电偶极矩的效果。自那时以来,两个主要的研究团队(ACME团队和JILA团队)相互竞争,每隔几年就在精度上取得显著提高,实现了越来越精确的电子电偶极矩测量。在过去的十年里,这两个竞争团队的测量灵敏度提高了200倍,但仍然没有看到EDM。

芝加哥大学的物理学家David DeMille是其中一个团队组的负责人,他说:“这有点像一场比赛,但我们不知道终点在哪里,甚至不知道是否有终点。”

通往未知的竞赛

为了继续向前,研究人员需要两件事:更多的测量和更长的测量时间。

ACME团队优先考虑测量的数量。他们将一束中性分子射向实验室,每秒探测数千万个分子,但每个分子只测量几毫秒。JILA团队测量的分子较少,但测量时间较长:他们每次捕获几百个分子,然后测量它们长达三秒钟。

提高对电子圆度的精确探测相当于在更高能量尺度上寻找新物理,或寻找更重粒子的迹象。这个新的实验结果对能量大约在10^13电子伏以上的现象具有敏感性,这比大型强子对撞机目前能够测试的能量范围要高出一个数量级。几十年前,许多理论家预测新粒子的迹象将在远低于这个能量范围的地方被发现。然而,每次实验敏感度提高时,一些原有的观点都会受到质疑,需要重新审视。

通过寻找电子的电偶极矩,这些实验希望能够发现超出标准模型的新物理现象,即揭示物理学中尚未解决的谜团。如果这些实验能够探测到非零的电子电偶极矩,这将说明标准模型不完整,并将为新物理学的发现铺平道路。这将引起其他精密测量实验和更大粒子对撞机的一系列后续研究,以进一步探索这个新的物理学领域。因此,这些EDM实验被认为是发现新物理学迹象的梦想实验。

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评论列表
  • 老K 24
    2023-04-12 09:23

    因为,正负电子湮灭时产生两个光子。所以说,电子是由一个光子(光波)形成的一个闭合环状驻波。闭合环的中心奇点,是微型黑洞奇点。不同的光子被黑洞奇点俘获,形成各种规格的闭合驻波,驻波与奇点一起,被称为基本粒子。

    用户95xxx84 回复:
    那告诉我,光电效应你这个理论怎么解释?
    老K 回复:
    电磁波在振动方向上又分为正交的电波和磁波,由此可以设想,闭合驻波有两种:电驻波和磁驻波。这可以解释泡利不相容原则:同一轨道只能两颗电子,这两颗电子分别是:磁闭驻波,电闭驻波。
  • 2024-03-22 10:28

    本来无一物,何处惹尘埃[呲牙笑]

  • 2023-08-19 08:46

    简单!物质是凝聚态的能量,而能量无所不在!就像水的相变(气~液~固),高能级往低能级转化是稳定的需要。随着空间膨胀,总体而言,能量密度是不断走低的,宏观表现为温度不断下降,物质不断析出,最终构建出缤纷的大千世界!

  • 2023-12-14 08:46

    如果用天文观测证明相对论,距离远争议大,又没有实用性。如果用北京时区证明相对论,距离近争议小,又有实用性。验证相对论其实很简单。相对论是研究时空观的,可以用相对论设计北京时区,看看效果如何。北京时区有十几亿人,包括很多飞行员和宇航员,可以验证时间膨胀。但是,因为时间膨胀和对钟矛盾,相对论很快就会原形毕露。主流倒了,科学革命已经开始

    我的天使呢 回复:
    时间如果真的能变快变慢,钟表是显示不出来的,钟表显示的是人为规定的。
    写经人 回复: 我的天使呢
    时间和时钟体系是两种不同的东西,时钟体系建立在时间的基础上。时钟体系的运用除了观测,还涉及校对和转换,时钟还可能会坏了。
  • 2024-05-25 12:24

    我们的宇宙仅仅是无尽狄拉克能量之海中毫不起眼的一座小小孤岛,或者是一朵小小浪花甚至是一个微小的液滴![笑着哭][玫瑰]

  • 2023-05-24 23:28

    如果把一个电子放大到地球的大小,它们能够检测到北极处一个仅高出一个糖分子的隆起。[笑着哭][笑着哭][笑着哭][笑着哭]牛b都被你们吹坏了,请问你们用什么仪器测量电子形状的?围绕原子核的叫电子云,说白了就是看不到电子,还测电子形状,吹牛,反正谁也不知道电子的真实形状,你想说多圆就多圆。

    戴生 回复:
    说得对!
    戴生 回复:
    牛逼越吹越圆!
  • 2024-01-10 09:25

    无限宇宙自在之有!!!而我们这个不是!!!我们这个宇宙是被“变”出来的!!!!!!

  • 2024-03-09 15:59

    信息浓缩成能量,能量浓缩成质量。

  • 宇宙看似科学的,其实宇宙更多的是不科学。

    飘飘果实 回复:
    只是人类文明还太低端而已
  • 2023-04-14 10:38

    是不是电子因为园,所以跟其他的物质相碰无法相容,形成的电流。

  • 2023-05-05 08:50

    宇宙本来就空无一物,世间万物因你的心存而物存。当你连心存的念想都没有的时候,万物就重归混沌,你亦一念成佛,四大皆空。

    likai海纳百川 回复:
    “当你连心存的念想都没有的时候,万物就重归混沌,你亦一念成佛,四大皆空“。既无念想,又如何“一念”成佛?“心无念想即万物回归混沌”,这和死亡状态之有何区别? 用诸妄想故此想不真:佛理需用事实与理论来论证,而不是在思想上作虚无状态!释迦牟尼对宇宙的认知亦只是知其然而不知其所以然,也就是说释迦牟尼知道宇宙本质真相,但却无法用事实与理论来论证明示给世人。
    yisgoli 回复:
    人即宇宙,宇宙亦是我,亦是你.
  • 2023-05-25 08:59

    一切都是假像,把物质往极小处分,能分出啥?把时间往时间间隔最小处分,是什么现象?

    东方猎人 回复:
    并不存在谁依托谁,如果把物质、能量统称为质能,物质是能量的"冷凝",能量是物质极限分解态,当然再冷的物质仍携带一部分能量,那问题就简单了
    丽君 回复:
    时间往极限里分,就出现时间晶体
  • 2023-05-31 16:03

    电子既是我们学物理最早接触的微观粒子,也是至今仍然很神秘的粒子。电子不仅非常非常“圆”,它也非常非常小,小到至今物理学家只能给出一个限值,即一定比这限值还小,但是下不封底,也不知道电子比这限值还小多少个数量级。电子是如此之小,以至于它很可能随时从我们的时空里面“漏”出去。电子具有相当多的“鬼魅”行为,很可能与它时不时就从我们的时空里“漏”出去有关系。说不定它刚刚就去了宇宙的边缘,然后又溜达回来了。[哭哭][哭哭][哭哭][哭哭]

  • 2023-06-04 17:37

    宇宙要是空无一物也就没有一个愚蠢的你在这里思考愚蠢的问题

  • 电子[笑着哭][玫瑰][赞][静静吃瓜]很抱歉不如你说一下球状科技或者闪电[赞] 或许电子也算生命的型式[笑着哭] 奇葩有个我

  • 2023-04-17 00:17

    为何物质存在,是这种云结构?为何不分散?为何需要凝结在一个空间范围?说空不空,说有不有,这种状态存在本质是什么?欢迎探讨[点赞]

  • 2023-05-07 10:23

    能够实现量子超距的可以肯定是标准球型,触面无限小,理论上不受宇宙常数影响,能借道四维,实现超距。

  • 2023-05-31 07:28

    正電子的發現確實有點邪門。自然條件下取證,居然一次實驗,一次曝光,一次取片就成功了。跟拍電影一樣。

  • 2023-07-12 10:57

    宇宙外面是啥

  • 2023-09-08 13:29

    简单!宇宙就是一锅超大号猪皮冻啊![开怀大笑][开怀大笑][开怀大笑]

  • 2024-04-23 23:08

    只是能量大小,决定形式

  • 2024-04-25 19:33

    生命的存在只不过是物质的偶然的一种形式。或者说是物质的偶然的偶然。

  • 2023-04-13 02:38

  • 2023-04-13 08:25

    两个字"没有″能说完的事,说了一大通废话

    sai小光 回复:
    没有不等于没有
    星爷 回复:
    谁敢说没有,你敢?
  • 2023-04-13 15:41

    点球!点就是球。

    用户18xxx75 回复:
    物理学、数学上的点就是零!没有尺度,没有长度,没有面积,没有体积!有尺度的就不是点!
    寂寥山雀 回复: 用户18xxx75
    反物质哪来的?一切都是虚幻!
  • 2023-05-24 21:54

    因为能量的化学聚合反应,形成了物质。

    顺溜之 回复:
    原子都排不上号了。你可别把化学扯进来,小学生看了都会笑。[吃瓜][吃瓜][吃瓜]
  • 2023-05-29 21:47

    物质来自宇宙,宇宙来自奇点大爆炸,奇点来自哪里?奇点不过人类想像的产物,人类还是很肤浅

  • 2023-04-13 07:23

    宇宙究竟不是空无飘渺的,只因为宇宙存在能量,而能量可以转化为物质。那么为什么宇宙存在能量,大概只有上帝知道,因为祂才是真正的造物主……[呲牙笑]

  • 2023-04-13 17:42

    如果宇宙空无一物,你就会问:宇宙为什么空无一物而非存在物质?

    飞扬 回复:
    不会的。空无一物时可没有能够提问的你。
  • 2023-04-14 03:21

    科学解释不了解宇宙[好生气]证明宇宙有外力不科学。。。其它人制造出宇宙

  • 2023-04-14 12:27

    前沿科学

  • 2023-04-13 20:34

    电子内部又是由什么构成

    tiantangdj 回复:
    就是弦了,按照弦理论,用水波对比下,水波中间产生振动,波向外围扩散,而科学家测到的不过是最外围的波,不知道水波中心,相当于盲人摸象
  • 2023-04-16 18:20

    正负电子对碰撞湮灭,还产生两个光子?本身就有点自相矛盾。

  • 2023-05-28 22:39

    如果宇宙就是虚拟的现实,所有物质就是一个个虚拟的符号,是不是所有问题都不是问题了?

  • 2023-05-31 07:29

    而且還拿了諾貝爾獎。

  • 2023-06-03 19:29

    因为力的存在

  • 2023-06-11 02:17

    虎丘连

  • 2023-06-17 15:12

    空间到底算不算物质? 假设空间本身是物质,那么不存在空无一物的说法,空无一物的空就是物质 假设空间本身不是物质,可以证明空间无法被物质填满,

  • 2023-07-01 21:03

    电子10的负15次方,地球10的7次方,分子10的负7次方,加起来 10的29次方都接近普朗克尺度了我才不信

  • 2024-05-02 23:04

    佛说了,六尘假有、没有实物!是心“自造”执迷出来的……六尘:声尘(声音)、香尘(气味)、色尘(形相)、味尘(口味酸甜苦辣)、触尘(力)、法尘(无形无色逻辑推理而生如电磁波),六尘把整个宇宙都包含进去了。宇宙就这么多东西!六样!

  • 2024-06-04 21:22

    宇宙秘密就在原子核中。

  • 2023-04-15 23:51

    宇宙为什么存在物质而非空无一物?,如果宇宙空无一物,那宇宙就失去了存在的意义,和个一样,如果舍都没有那还有存在的必要吗?

    用户10xxx41 回复:
    没有文明,宇宙再没有价值可言
    空心菜V9 回复: 用户10xxx41
    宇宙之外没有物质,而创造宇宙必须要在宇宙之外,言下之意义,宇宙是为宇宙之外的非物质生物服务。
  • 2023-05-11 01:00

    金木水火土,无限循环

  • 2023-07-29 10:50

    电子不是波吗?

  • 2023-09-08 11:40

    电子吧就是不断进行质能转换,这一刻啵成了物质,下一刻啵不见了成了能量

  • 电子内部有阴阳,这是引力基础力的来源,[静静吃瓜][静静吃瓜]

  • 物质是人类的认知定义的

  • 2024-04-23 23:09

    电子最小能量,第二层磁力线。

  • 2024-04-28 16:32

    大爆炸理论就是谎谬的谬论!

  • 2024-05-07 23:22

    大中小物个体不抱团宇宙会散架,研究无什意义

  • 2024-06-03 06:10

    这还不简单,反物质主要在另一个宇宙,反物质宇宙。

  • 2024-07-05 13:16

    一切都是光

  • 2024-07-12 15:00

    电荷就是一种比电子还要小的能量微粒。电子带负电荷,质子带正电荷,电荷这种能量微粒具有自旋特性。

  • 2023-05-02 07:01

    事物内外 不但有引力(万有引力)还有斥力(万有斥力) 只是大小不同 二者能相互转换 都是电磁力

  • 2023-05-20 11:26

    这个级别的黑洞群会是什么结果?

  • 2023-05-21 19:22

    所有粒子都有波粒二象性,波是圆的或者是球形的吗?[呲牙笑]幼稚的脑袋!粒子如果是圆形球状,何以能有波长???[呲牙笑][呲牙笑][呲牙笑]

  • 2023-05-31 20:02

    電子衰變為正電子的過程可以完全撇開相對論來驗證測不准原理,過程完全的量子化。這在當時是非常難得,也是匪夷所思。

  • 2023-06-05 13:33

    一个电子应该有多少个电荷呢?每个电荷与光子的能量变换光系?每个单光子单电荷的能量感应蠕缩的最大小尺寸倍率和建度值,,,,等诸多相关问题都必须搞明白!

  • 2023-06-21 10:12

    现在人的角度“看”,世界才有万物之别。

  • 2023-10-15 21:08

    电磁力是宇宙一切变化的力量 宇宙 地球是一个变化不均匀的电磁场 物体 粒子是电磁物质的聚集体 中子原子是带电的 任何物体任何两点都变化的电参数 带电体之间的力量是变化的电磁力 物体之间不但有引力 还有斥力 只是大小不同 二者相互依存 在一定范围之内相互转换 是电磁力人与人之间 国与国之间 人与环境之间的作用是相互的电磁力 是作用力与反作用力的关系 分为引力和斥力及转换宇宙法则是一杆称 即平衡或是公平 是作用力与反作用力的平衡

  • 2023-11-24 08:27

    沒有物质的宇宙有你吗?

  • 2023-12-22 10:15

    这是谣言,你知道电子的大小吗?你知道科学家是用什么办法去测量吗?你什么都没有说,就来一个把电子当地球大小来观察?谣言。

  • 2024-03-08 14:24

    宇称不平衡

康托的天堂

简介:科学如此美妙,我想让你知道