地幔中的新物理学

走进位于伦敦布鲁姆斯伯里的查尔斯狄更斯故居博物馆,里面正用旧时收音机的声调朗诵狄更斯的小说,正巧听到那句著名的开头：“那是最美好的时代,那是最糟糕的时代；那是智慧的年头,那是愚昧的年头；那是信仰的时期,那是怀疑的时期；那是光明的季节,那是黑暗的季节等”仔细想来,这句话用来描述粒子物理学的现状也是再贴切不过,这是个对于粒子物理学家来说最伟大的时代,但与此同时,粒子物理学也面临着更加扑朔迷离的未来,这可能会关系到人类对于物质本质的认识.

目前描述基本粒子和它们之间相互作用的标准模型（Standardmodel）已经基本完成,但是这个模型并没有囊括宇宙中所有的粒子和物理现象,显然人类还需要一个更为全面的框架来描述基本粒子和它们之间的相互作用.目前超越标准模型的各种理论和数学模型让粒子物理学家有些无所适从――各种理论模型都希望从大型重子对撞机的对撞实验中找到支持自己的答案.而另外一些科学家,则把目光投向了更为广大的实验设备,他们以整个地球为实验室,试图寻找一种目前仅存在于理论中的奇异的基本粒子,这种基本粒子并不被包含在基本模型中,并且还有一个让人迷惑的名字――非粒子（unparticle）.人类一旦发现这种粒子,不但可以扩展对于基本粒子的认识,甚至可能重新思考对于物质本质的认识.

2007年,哈佛大学的物理学家霍华德乔吉（HowardGei）在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志发表了一篇论文《非粒子物理学》（UnparticlePhysics）,紧接着,他在《物理评论B》（PhysicsLettersB）杂志又发表了一篇论文《另一个关于非粒子物理学的奇怪的事》（Anotheroddthingaboutunparticlephysics）.霍华德乔吉因为对于超对称理论和量子色动力学的研究而享誉物理学界,他通过这两篇论文讨论一种在理论上可能存在的粒子――非粒子.这种非粒子与我们通常所理解的基本粒子完全不同：它有些类似于没有静止质量的光子,具有标度变换下的不变性.简单说,就是这种粒子可能拥有不同的静止质量.因为在理论上非粒子与一般物质粒子之间的相互作用非常弱,因此可能至今也没有被人类所探测到.由于乔吉在物理学界的极高声望,“非粒子物理学”迅速引起了粒子物理学界的关注.

我们通常所熟悉的基本粒子,都具有不变的静止质量,这也是各种基本粒子之间最重要的区别之一.但是霍华德乔吉所提出的检测想中的粒子,并不具有这个普通粒子最基本的性质,它可能具有不同的静止质量,正是因为它如此特殊,霍华德乔吉才为这种基本粒子命名为“非粒子”.霍华德乔吉说,人们早已在数学上理解了这种粒子,但问题是如何才能在现实中找到它.

与许多仍然只是存在于理论中的粒子一样,物理学家们对于非粒子也寄予很多美好的希望,希望通过非粒子的存在来解释很多物理学现象.因为非粒子在理论上不经常与普通物质粒子发生相互作用,因此很多人认为它可能是宇宙中暗物质的候选者,但是物理学家随后就通过计算推断出这种可能性极其微小.

来自美国阿莫斯特学院（AmherstCollege）的物理学家拉里亨特（LarryHunter）怀疑,非粒子有可能正是承载自然界第五种相互作用的基本粒子.为了验证自己的想法,他以整个地球为实验室,试图在地幔中寻找非粒子存在的证据.

人类已经认识到自然界存在着四种最基本的相互作用：引力相互作用,电磁相互作用,强相互作用和弱相互作用,物理学家们目前认为自然界的一切相互作用在本质上都可以归属于这四种相互作用,而目前物理学的一大难题（或者说是终极目标）,就是将这四种相互作用统一起来.但是也有物理学家一直怀疑,并且提出了理论预测,在自然界中还存在着第五种相互作用形式,这种相互作用可能是长距离的自旋―自旋相互作用（longrangespin-spininteraction）.人类早就认识和理解了短距离的自旋―自旋相互作用,这就是磁力,但是磁力会随着距离的增加而迅速减弱.在理论上,长距离自旋-自旋相互作用,非常微弱,但是会在长距离产生影响,负责传递这种相互作用的,有可能正是理论中的非粒子.

在理论中,非粒子的特性有些类似于光子,在几百甚至是几千公里的长距离上使基本粒子的自旋方向一致.非粒子之所以直到现在还没有被探测到（或者是被证明不存在）,就是因为这种仅存于理论上的第五种相互作用极端微弱,并且在长距离上进行探测难度也非常大.

拉里亨特一开始希望在实验室里探测这种极端微弱的相互作用对原子造成的影响,但是后来他意识到,整个地球就是一个非常理想的巨大的实验室,并且可以为他提供巨大的资源.整个地幔中大约存在1049个电子,电子的资源越丰富,进行测量的精度就会越高.为了更精确了解地球内部的情况,他找到得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家林俊孚（Jung-FuLin）进行合作,他们根据现代地质物理学和地质化学的知识,绘制了一幅非常精细的地球内部磁场和地幔中电子的密度与自旋电脑模型,拉里亨特还设计了一套实验设备用来抵消地磁,探测地幔中相隔4000多公里的电子的自旋是否受到理论中极为微弱的第五种相互作用影响.

这个种类的实验并不常见,它涉及的范围非常广,包含了地球物理学、原子物理学、粒子物理学、固态物理学和核物理学知识.2013年2月,拉里亨特和他研究组的成员以及林俊孚共同在《科学》（Science）杂志发表论文《利用地球作为极化电子源寻找长距离自旋-自旋相互作用》（UsingtheEarthasaPolarizedElectronSourcetoSearchforLong-RangeSpin-SpinInteractions）,介绍了他的实验设置和结果.

根据论文中的描述,拉里亨特和林俊孚在以地球为实验室的实验中虽然还没有发现理论上自然界的第五种相互作用,但是他们也为这种相互作用的强度设下了界限,为以后继续寻找这种相互作用奠定了基础.引力相互作用相对于其他种类的相互作用已经算是非常微弱,而根据拉里亨特和林俊孚的实验结果显示,长距离自旋-自旋相互作用的强度甚至会小于引力相互作用的一千万分之一.

目前人类认识的长距离相互作用只有引力相互作用和电磁相互作用,而这两种相互作用分别是通过质量为零的引力子和光子传递的,因此它们的强度与距离成平方反比的关系.人类一旦可以发现非粒子传递长距离自旋-自旋相互作用,这种相互作用的强度很可能与距离有一种更加奇特的比例关系.

人类一旦可以发现第五种相互作用关系,或是理论中的非粒子,都将超标准模型的框架,并且颠覆现有的基础物理学的结构,深刻改变人类对于物质本质的认识.从另一个角度说,这也给人类探索地球的内部结构提供了一种新型的、更为精确的手段.如果非粒子存在,人类就可以通过它来探测在地球深处矿物的含量以及随深度的变化,粒子物理学可能给地球物理学研究带来极大的帮助.

人们往往对于仅存在于理论中的事物寄予太多希望,希望它可以解决现有的一切问题.在某种程度上,这也是实验物理学家和理论物理学家的区别,对于实验物理学家来说,尚未被实验证实的事物是不存在的,而对于理论物理学家而言,在理论上可能存在的事物就“有可能”存在.人类要拓展对于这个世界的认识,所需要的仍然是“大胆检测设,小心求证”.非粒子的概念和其他很多仍然仅存在于理论中的粒子和检测说一样,需要实验的证明和时间的检验.