文/顧金濤

宇宙的存在是因?yàn)殡娮硬粔驁A嗎

文/顧金濤

我們的宇宙蘊(yùn)藏著眾多尚未破解的難題，而宇宙的存在本身，就足夠令人費(fèi)解。宇宙大爆炸創(chuàng)造了等量的物質(zhì)與反物質(zhì)，它們之間的碰撞理應(yīng)讓宇宙消失，而阻止這一進(jìn)程的，只能是某種不為人知的不對(duì)稱性。為了找出物質(zhì)與反物質(zhì)之間的不對(duì)稱性，物理學(xué)家已經(jīng)做了很多嘗試。而現(xiàn)在，他們正將尋找對(duì)象對(duì)準(zhǔn)了電子——如果電子不夠圓，那么宇宙存在的悖論或許就將破解。

在 138億年前的那場(chǎng)大爆炸之后，物質(zhì)構(gòu)成了宇宙中的每一個(gè)星系、每一顆行星，以及每一個(gè)生命。但在宇宙起源的背后，是一個(gè)至今未能破解的難題：按照目前的理論，大爆炸過程創(chuàng)造出等量的物質(zhì)與反物質(zhì)。當(dāng)物質(zhì)和與之對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)相遇，例如電子與正電子碰撞，將發(fā)生湮滅——物質(zhì)消失而只剩下能量。

按照這一理論，宇宙中的所有物質(zhì)都應(yīng)該消失，宇宙也隨之毀滅。然而，當(dāng)我們站在這里，就意味著整個(gè)過程中一定存在某種漏洞——事實(shí)上，在大爆炸發(fā)生后，大約十億分之一的物質(zhì)依然存活到了今天。

為了解開物質(zhì)-反物質(zhì)的悖論，物理學(xué)家認(rèn)為，物質(zhì)與反物質(zhì)之間一定存在著某種不為人知的不對(duì)稱性。此前，物理學(xué)家對(duì)物質(zhì)與反物質(zhì)的質(zhì)量、電荷等性質(zhì)進(jìn)行了精確的測(cè)量，卻始終沒有找出任何不對(duì)稱的跡象。

1967年，當(dāng)安德烈·薩哈羅夫研究物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱時(shí)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)看上去毫無關(guān)聯(lián)的對(duì)稱性——時(shí)間反演對(duì)稱。當(dāng)其被破壞時(shí)，才能保證宇宙各處物質(zhì)都比反物質(zhì)多。而打破這一對(duì)稱性的，可能是一個(gè)意想不到的答案：電子的形狀。

在很多人眼里，電子只是一個(gè)帶負(fù)電荷的幾何點(diǎn)；但是對(duì)于一些物理學(xué)家來說，它是一團(tuán)有大小、有形狀的云——不是原子周圍的電子云，而是電子本身。這團(tuán)云由電子中心周圍不斷出現(xiàn)消失的正反粒子對(duì)組成，從而賦予了電子的形狀。

很多物理學(xué)家懷疑，電子并非完美的球形，而是因?yàn)殡姾煞植嫉牟痪鶆虺实靶巍６坏╇娮拥碾姾煞植疾痪鶆?，也就是存在電偶極距 （electric dipole moment，EDM），就可能對(duì)宇宙的起源問題產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。按照標(biāo)準(zhǔn)模型理論，無論時(shí)間向前還是向后，物理過程都不會(huì)發(fā)生變化。而電子EDM的存在，則將違背時(shí)間反演對(duì)稱。

不過，電子EDM的測(cè)量卻絕非易事。為了測(cè)量電子可能存在的EDM，一個(gè)不難想到的手段是，將電子放進(jìn)一個(gè)電場(chǎng)中。如果EDM存在，電子會(huì)出現(xiàn)進(jìn)動(dòng)（其自轉(zhuǎn)軸在電場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)），這時(shí)科學(xué)家就能從電子的進(jìn)動(dòng)周期推測(cè)出EDM。但在實(shí)際操作中，測(cè)量EDM這么小的量需要的電場(chǎng)強(qiáng)度超出了實(shí)驗(yàn)室能產(chǎn)生的強(qiáng)度，而且強(qiáng)大的外加電場(chǎng)會(huì)讓電子還沒來得及測(cè)量就飛到正極去了。

因此，研究人員一般利用分子和中性原子的內(nèi)部電場(chǎng)（強(qiáng)度比實(shí)驗(yàn)室能產(chǎn)生的高百萬倍）。為了得到足夠強(qiáng)的信號(hào)，一般需要把足夠數(shù)量的分子/中性原子對(duì)齊，調(diào)整到同一狀態(tài)，然后再誘發(fā)外層電子（或價(jià)電子）的進(jìn)動(dòng)。為此，研究人員將待測(cè)分子/中性原子制成粒子束射入測(cè)量區(qū)域。粒子束不可能在測(cè)量區(qū)域待很久，這大大限制了測(cè)量的時(shí)間。盡管如此，在射出兩千五百多萬束氧化釷（ThO）分子后，哈佛大學(xué)和耶魯大學(xué)的 ACME組還是在 2014年的 Science期刊發(fā)表了重要的階段性成果：雖然沒有觀測(cè)到EDM，但這也表明，電子EDM的上限是8.7*10-29e·cm，這是人類所能達(dá)到的極限。而要想繼續(xù)探索EDM是否存在，則需要進(jìn)一步提升試驗(yàn)靈敏度。

在近期發(fā)表于Physical Review Letters的論文中，科羅拉多大學(xué)博爾德分校 JILA研究所的Eric Cornell團(tuán)隊(duì)采取了不同的策略，他們不使用粒子束，而是把四氟化鉿離子束縛在旋轉(zhuǎn)的電場(chǎng)中，這樣離子不會(huì)直線飛出測(cè)量區(qū)域，而是沿著弧線飛出，這給了研究者更長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間以提高測(cè)量敏感度。2013年，他們把測(cè)量電子進(jìn)動(dòng)的時(shí)間提高到了100毫秒；而在上個(gè)月新發(fā)表的結(jié)果中，他們已經(jīng)將這個(gè)時(shí)間提高到了 700毫秒。由于仍然沒有測(cè)得EDM，這意味著EDM的上限不會(huì)超過1.3*10-28 e· cm。

目前Cornell團(tuán)隊(duì)測(cè)得的結(jié)果尚未超過此前的記錄。Cornell表示，他們的實(shí)驗(yàn)還有提高的余地，因?yàn)殡x子之間會(huì)相互干擾對(duì)方的自旋，從而限制了離子可以同時(shí)被測(cè)量的數(shù)量。

為了獲得更好的結(jié)果，Cornell在10月已經(jīng)開始了新的研究，他困住了更多的離子，這“將在2年內(nèi)，使敏感度提高10倍”，他也有信心將測(cè)量時(shí)間提高到1秒以上。為了提高觀測(cè)時(shí)間，Cornell還計(jì)劃在今后用穩(wěn)定性更高的氟化釷進(jìn)行試驗(yàn)。

與此同時(shí)，其他研究團(tuán)隊(duì)也在通過不同的手段，試圖測(cè)出電子的EDM。賓州州立大學(xué)的Weiss計(jì)劃用激光將冷卻的銫原子束縛幾秒鐘，并希望將目前的記錄提高30倍。2013年的記錄保持者，來自帝國(guó)理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，計(jì)劃在5年內(nèi)將記錄提升1000倍。該團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者 Hinds表示，如果在這一靈敏度下仍然沒有發(fā)現(xiàn)EDM，就將意味著預(yù)測(cè)EDM存在的許多假說都將宣告失效。

到目前為止，沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f明EDM有非零值，這些組都希望打破這個(gè)記錄?？梢灶A(yù)見的是，在今后數(shù)年間，或是EDM出現(xiàn)的新聞引爆整個(gè)物理學(xué)界，物理學(xué)將翻開新的篇章；或是隨著靈敏度的不斷提升，EDM始終未能出現(xiàn)，直至整個(gè)假說的坍塌。但無論如何，對(duì)于“宇宙為什么會(huì)存在”這個(gè)問題，我們的思考與探索將一直持續(xù)下去。