宇宙为什么存在?因为电子... 发布时间:2020-03-15
西方的宇宙概念强调所有的星系(即所有的物体),但意味着所有的物体只存在于时间和空间中,而中国古代的传统宇宙概念强调时间和空间,但它也意味着时间和空间中必须有物质。宇宙的定义结合了东方和西方的两种定义,清楚地表达了全人类的世界观。
我们的宇宙包含许多未解决的问题,宇宙本身的存在已经足够令人困惑了。大爆炸创造了等量的物质和反物质。它们之间的碰撞应该会使宇宙消失,而能够阻止这一过程的只是一些未知的不对称。为了发现物质和反物质之间的不对称性,物理学家们做了许多尝试。现在,他们正在寻找以电子为目标的物体——如果电子不够圆,宇宙的悖论可能会得到解决。

在138亿年前的大爆炸之后,物质形成了宇宙中的每个星系、行星和生命。但是在宇宙起源的背后有一个尚未解决的问题:根据目前的理论,大爆炸过程产生了等量的物质和反物质。当物质遇到反物质时,例如电子与正电子碰撞,就会发生湮灭——物质消失,只剩下能量。
根据这个理论,宇宙中的所有物质都应该消失,宇宙将被毁灭。然而,当我们站在这里时,这意味着在整个过程中一定有某种漏洞——事实上,在大爆炸之后,大约十亿种物质今天仍然存在。
为了解决物质和反物质之间的矛盾,物理学家认为物质和反物质之间一定存在某种未知的不对称。此前,物理学家已经对物质和反物质的质量、电荷和其他性质进行了精确测量,但从未发现任何不对称的迹象。
1967年,当安德烈·萨哈罗夫研究物质-反物质不对称性时,他发现了一个看似无关的对称性-时间反转对称性。当它被摧毁时,可以保证宇宙中到处都有比反物质更多的物质。打破这种对称性的可能是一个意想不到的答案:电子的形状。
电子的形状可能是解开物质和反物质之谜的关键。
在许多人眼里,电子只是带负电荷的几何点。但是对一些物理学家来说,它是一个有大小和形状的云——不是原子周围的电子云,而是电子本身。云是由电子中心周围消失的正负粒子对组成的,赋予了电子它的形状。
许多物理学家怀疑,由于电荷分布不均匀,电子不是完美的球形,而是卵形。然而,一旦电子的电荷分布不均匀,即存在电偶极子(EDM),它可能对宇宙的起源产生深远的影响。根据标准模型理论,无论时间向前还是向后,物理过程都不会改变。然而,电子电火花加工的存在将违反时间反演对称性。
根据当前的测试结果,如果电子之间存在电偶极子距离,则失真的上限约为10-27毫米。
然而,电子电火花加工的测量并不容易。为了测量电子可能存在的电火花加工,不难想到一种将电子放入电场的方法。如果电火花存在,电子会进动(它们的旋转轴在电场的作用下旋转),那么科学家可以从电子的进动周期推断出电火花。然而,在实际操作中,测量如此少量的电火花所需的电场强度超过了实验室能够产生的强度,并且所施加的强电场将使电子在被测量之前飞向正电极。
因此,研究人员通常使用分子和中性原子的内部电场(其强度比实验室产生的电场高数百万倍)。为了获得足够强的信号,通常需要将足够数量的分子/中性原子排列成相同的状态,然后诱导外部电子(或价电子)的进动。为此,研究人员将待测试的分子/中性原子作为粒子束注入测量区域。粒子束不能长时间停留在测量区域,这极大地限制了测量时间。尽管如此,在发射超过2500万束氧化钍(tho)后,哈佛大学和耶鲁大学的ACME小组在2014年的《科学》杂志上发表了一项重要的期刊成果:尽管没有观察到电火花,但它也表明电子电火花的上限是8.7 * 10-29e cm,这是人类能够达到的极限。然而,如果我们想继续探索电火花加工的存在,我们需要进一步提高测试灵敏度。
在最近发表在《物理观察快报》上的一篇论文中,位于博尔德的科罗拉多大学JILA研究所的埃里克森团队采用了不同的策略。他们没有使用粒子束,而是将四氟化铪离子束缚在旋转电场中,这样离子就不会直接飞出测量区域,而是沿着一条弧线飞行,这给了研究人员更长的观察时间来提高测量灵敏度。2013年,他们将测量电子进动的时间增加到100毫秒。在上个月最新公布的结果中,他们把时间增加到了700毫秒。由于电火花加工尚未测量,这意味着电火花加工的上限不会超过1.3 * 10-28E厘米。
基橡实细胞群实验综述。旋进方向由旋转电场电离诱导的电子旋进-激光离解决定。
目前,康奈尔团队测量的结果没有超过以前的记录。康奈尔说,他们的实验仍有改进的余地,因为离子会干扰彼此的自旋,从而限制了可以同时测量的离子数量。
为了获得更好的结果,康奈尔大学在10月份开始了一项新的研究。他捕获了更多的离子,这“将在两年内增加10倍的灵敏度”。他也有信心将测量时间增加到1秒以上。为了缩短观察时间,康奈尔大学还计划在未来测试具有更高稳定性的氟化钍。
与此同时,其他研究小组也试图通过不同的方法来测量电子电火花。宾夕法尼亚州立大学的维斯计划用激光将冷却的铯原子结合几秒钟,并希望将目前的记录提高30倍。2013年的纪录保持者是帝国理工学院的一个研究团队,计划在五年内将纪录提高1000倍。该小组的负责人Hinds说,如果在这种敏感度下仍未发现电火花加工,这将意味着许多预测电火花加工的假设将会失效。
到目前为止,没有实验表明EDM有一个非零值,这些团体都希望打破这个记录。可以预测,在未来几年内,或者说电火花的消息将会引爆整个物理学圈,物理学将翻开新的篇章。或者随着敏感度的增加,在整个假设崩溃之前,EDM从未出现过。然而,我们对“宇宙为什么存在”这个问题的思考和探索将会继续。
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