在物理学中，测量是一件很有意思的事情。我们的期待是：对宇宙中的一些基本特性的量化应遵循一个简单的模式——即测量的误差一开始会比较大，但随着时间的推移，测量技术会不断得到改善，误差就会逐渐缩小。在理想的情况下，新得到的测量值会出现在之前的测量误差范围之内。
可事实却几乎从不如此。在很多情况下，测量值会在一段时间内都聚集在某一范围，直到得到一组超出原有误差范围的新数据结果，出现在完全不同数值区域。而且，即使随着技术的改进，一些误差范围也仍然顽固地拒绝重合。例如本周发表于《科学》期刊的一篇新论文就指出，描述了电磁力强度的精细结构常数就是这样一种情况。但研究人员并没有简单的将其归咎于测量的变幻莫测，而是认为这种差异或许是真实的——它可以告诉我们一些可能超越了粒子物理学的标准模型的东西。
○ 精细结构常数（α）是著名的无量纲常数，约等于137的倒数。这个纯数字使许多物理学家为之着迷，约翰·惠勒曾在书中写到：“物理学家喜欢这个数字不仅仅是因为他是无量纲的，还因为它是自然界中三个基本常数的组合。为什么这几个常数结合在一起的时候会得出一个特别的数字：1/137.036，而不是其它的数字？”
伟大的精细
电磁力出现在大量现象中，而精细结构常数就是描述这种力的一种量度。这意味着有很多方法可以让我们对精细结构常数进行测量。当涉及高精度的测量时，研究人员提出了两种不同的方法：第一种是对电子磁性的直接测量；第二种是通过研究原子与光之间相互作用。
慢慢的，我们想出了更好的方法来进行这两种测量，测量结果的误差范围也随着测量方法的进步不断地缩小。可是当产生的数值越来越接近时，误差范围仍“顽固”地拒绝重合。
○ 物理学家对精细结构常数进行了迄今为止最精确的测量。图中显示的研究人员是来自加州大学伯克利分校的Weicheng Zhong。| 图片来源：CHENGHUI YU
在这篇新发表的论文中，物理学家利用的是第二种方法——光子与原子之间的相互作用——来测量精细结构常数的值。实验本身的设计非常巧妙：它像探测引力波的LIGO探测器一样，依赖于波与波之间的干涉可以记录极其微小的位置变化的特性；而与LIGO不同的是，这里的波不是光，而是原子。利用原子的量子特性，研究人员沿着不同的路径以波的形式发出一束束原子，让它们相互干涉。
激光器被用于沿着不同路径对原子进行引导，让这种干涉对激光光子与原子间的相互作用极度敏感。正如先前所说，这种相互作用的强度受精细结构常数值的影响。与之前的实验相比，新的测量结果为 α = 1/137.035999046 ± 2×10-10，其误差减小了3倍。
但这里值得关注的是这些误差所涵盖的值的范围。在先前用原子干涉仪进行的测量中，值的范围完全处于误差范围内。而且这些测量结果都不与通过对电子的直接测量得到的最高精度测量值重合。两者之间的差异具有2.5σ的显著性。
○ 这些实验设备（部分）使新的测量成为可能。| 图片来源：Holger Müller lab
如果这是真的？
在进一步的测量中，我们有理由期待这种差异会缩小甚至完全消失。但这种情况也有可能并不会发生。电子的行为与精细结构常数之间的关系是由标准模型描述的，而我们已经就如何改进标准模型提出了许多想法。其中一些理论预期电子的行为会发生改变，因此研究人员决定严肃对待测量结果之间的这种差异。换句话说，他们假定两种测量都正确，并思考标准模型如何变化才能产生两者之间的明显差异。
○ 精细结构常数的精确测量：图中显示了不同测量方法的对比，“0”是2014年CODATA建议的值，绿色的点代表光子反弹实验的测量结果，红色的则表示通过电子测量得到的值。误差线表示了1σ的不确定性。| 图片来源：[1]
此次的测量结果可以被用来探索电子内是否存在亚结构的可能性，同时也能够对暗光子（dark photon）的存在进行检验。暗光子是一种与普通光子类似的假想粒子，不同的是它具有质量并且与已知粒子有着非常微弱的作用。暗光子会导致在精细结构常数的测量结果上产生差异，但这种差异应该与从实验中观测到的差异方向相反才对。换句话说，暗光子会让情况变得更糟。相比之下，另一种假想粒子——暗轴向矢量玻色子（dark axial vector boson ）——并不能被新的测量结果排除出局。
这并非说明这些实验已经能明确地告诉我们任何有关于超越标准模型的物理。电子测量结果仍然有存在错误的可能性，并且这项工作中还有几个研究将能提供更多关于它正确与否的信息。这些研究是绝对值得追求的，因为出现在几项独立测量中的持续性差异将会使事情变得越来越有趣。
此外，从一个完全无关的方面来看，研究人员指出新的研究还提供了一种测量原子绝对质量的标准方法，这可被用来为定义千克提供一种不需要依赖金属块的新方法。这也算是额外惊喜了！
编译：二宗主
参考来源：
[1] R.H. Parker et al. Measurement of the fine-structure constant as a test of the Standard Model. Science. Vol. 360, April 13, 2018, p. 191. doi: 10.1126/science.aar7432.
发表于 2018-4-15 23:40
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