粒子物理学
是圆的，不是圆的，是圆的……
May 26th 2011, 6:30 by J.P.
世间万物最基本的单位，如构成原子核内质子和中子的“夸克”和绕核旋转的“电子”常被称为“点粒子”。但这种叫法容易让人误解。似乎在暗示他们虽然有质量，但就像数学中对“点”的定义一样——没有空间维度；换而言之，即他们没有形状。而在量子力学术语中，“点粒子”即为“基本粒子”（迄今还未发现有用来构成基本粒子的更小单位）。但量子力学并未将基本粒子定义为无形无相。
而恰恰就是这个“形”困扰物理学界多年。以电子为例，因为它是所有基本粒子中最容易把握的，所以对它的研究也最彻底。根据标准模型理论（该理论在40年前被提出，其在描述所有已知基本粒子的运动规律和受力法则时，均不考虑重力的影响），电子的点质量由围绕其质量中心分布的“虚拟粒子云”决定，这些虚拟粒子在一定的空间范围内浮现或湮灭……这在怪异的量子力学中是说得通的。（这个“虚拟粒子”就是电子本身，一个电子会围绕它的质量中心，在一个类球形的空间内按一定的概率准则作高速运动，从外部观测时看到一个电子云团。）这个理论认为电子云团的形状应该是一个几乎完美的球形。这里我们注意到一个耐人寻味的字眼“几乎”。
据推测因粒子存在电偶极矩（偶极矩），而使这个理想的完美圆球不能成形。但不幸的是，这个物理量从未被测量过。但这项工作其实很重要，原因有二：一，不同版本的标准模型给出了对偶极矩大小的不同估算，测量偶极矩值可以帮助找出正确的模型；二，许多物理学家相信：偶极矩的存在体现了宇宙的非对称性，而这种特性使我们的世界得以在物质的基础上建立。（如果偶极矩假设有问题，那么这个理论也要被推翻）
如果这个世界在根本层面上是对称的，那么在“大爆炸”中生成的等量的物质和反物质就会互相中和，结果就是宇宙中只剩下能量辐射。而且通过非对称理论还可以推测出：当时间沿反向流动时，相应的物理法则将会截然不同。同样这个理论也可以用来解释在宇宙构造中的一个奇特现象（至少物理学家那么觉得），即为什么我们可以沿空间中任意方向运动，而时间却只能沿一个方向变化……只进不退。所以测量偶极矩对物理学界来说确实是饶有兴致的工作。但问题是：到底要怎么做呢？
其实除了这个假设的“偶极矩”，电子内还存在一种实际可测量的“磁极矩”。打个比方，这个“磁极矩”可以让电子像一个微型的条形磁铁那样在磁场中旋转。如果一个粒子沿旋转轴的电荷分配不均匀（非电中性），那么就会形成偶极矩。结果将导致粒子的电荷中心和质量中心不再同一点上，那么它就无法保持完美的球形。（可以想像成重心和旋转中心不在同一点，这样在旋转过程中的确有变形的趋势）
在伦敦帝国大学，由Edward Hinds领导的一组物理学家已经花了10年的时间去研究电子到底有多“圆”。一个比较容易想到的实验方法就是：让电子穿过一个电场，然后观察它会不会扭转或者拐弯。任何偶极矩方向都与电场方向平行。由此引起的质量中心的偏移，会使粒子在电场中像一个陀螺仪那样进动。而且电场越强、电子的运动时间越长，这种颤动现象就越容易被捕捉到。
不过呢，一个自由电子只带一个单位电荷。这就意味着加大电场强度将使电子加速，使它瞬间被抛射到实验仪器的外壳上，缩短观测时间，使测量无法完成。而更头痛的是：电子在穿越电场的同时会形成一个“伴生磁场”，这个磁场和磁极矩合成后，会产生另一个方向的旋进运动，令人难以捉摸。
所以，Hinds博士和他的团队选用高度离子化的氟化镱分子来代替电子。不同于电子，电中性的分子不会被电场加速，但电场可以极化将粒子束缚在一起以形成分子的“离子键”，让正负电荷相互分开，这样，就可以将分子中的部分电子孤立出来以便研究他们的旋转方式。
在摆弄了10几年实验装置以后，Hinds博士的团队已经成功证明在千万亿分之一的精度下，电子的确是“完美”的球形。但这个结果还不足以压倒理论物理学家，Hinds博士希望在未来几年里可以将实验精度提高10倍，最后再进一步达到100倍。到那时，任何细微的扰动应该都可以被观测到，如果仍然捕捉不到任何颤动，那么不完美的将变成现有的一些物理学理论了。
本文由译者 brucehsi 提供 点击此处阅读双语版
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