宇宙之所以存在 是因為電子不夠圓？

　　2017年11月13日 09:42 　　來源：環球科學微信公眾號

　　我們的宇宙蘊藏著眾多尚未破解的難題，而宇宙的存在本身，就足夠令人費解。宇宙大爆炸創造了等量的物質與反物質，它們之間的碰撞理應讓宇宙消失，而阻止這一進程的，只能是某種不為人知的不對稱性。為了找出物質與反物質之間的不對稱性，物理學家已經做了很多嘗試。而現在，他們正將尋找對象對準了電子——如果電子不夠圓，那麼宇宙存在的悖論或許就將破解。

　　撰文| 顧金濤

　　編輯 | 吳非

　　

　　在138億年前的那場大爆炸之後，物質構成了宇宙中的每一個星系、每一顆行星，以及每一個生命。但在宇宙起源的背後，是一個至今未能破解的難題：按照目前的理論，大爆炸過程創造出等量的物質與反物質。當物質和與之對應的反物質相遇，例如電子與正電子碰撞，將發生湮滅——物質消失而只剩下能量。

　　按照這一理論，宇宙中的所有物質都應該消失，宇宙也隨之毀滅。然而，當我們站在這裡，就意味著整個過程中一定存在某種漏洞——事實上，在大爆炸發生后，大約十億分之一的物質依然存活到了今天。

　　為了解開物質-反物質的悖論，物理學家認為，物質與反物質之間一定存在著某種不為人知的不對稱性。此前，物理學家對物質與反物質的質量、電荷等性質進行了精確的測量，卻始終沒有找出任何不對稱的跡象。

　　1967年，當安德烈·薩哈羅夫研究物質-反物質不對稱時，發現一個看上去毫無關聯的對稱性——時間反演對稱。當其被破壞時，才能保證宇宙各處物質都比反物質多。而打破這一對稱性的，可能是一個意想不到的答案：電子的形狀。

　　

　　電子的形狀，或許是解開物質-反物質謎團的關鍵

　　在很多人眼裡，電子只是一個帶負電荷的幾何點；但是對於一些物理學家來說，它是一團有大小、有形狀的雲——不是原子周圍的電子云，而是電子本身。這團雲由電子中心周圍不斷出現消失的正反粒子對組成，從而賦予了電子的形狀。

　　很多物理學家懷疑，電子並非完美的球形，而是因為電荷分佈的不均勻而呈蛋形。而一旦電子的電荷分佈不均勻，也就是存在電偶極距（electric dipole moment，EDM），就可能對宇宙的起源問題產生極其深遠的影響。按照標準模型理論，無論時間向前還是向後，物理過程都不會發生變化。而電子EDM的存在，則將違背時間反演對稱。

　　

　　根據目前的試驗結果，如果電子存在電偶極距，其扭曲的上限約為10-27 mm。

　　不過，電子EDM的測量卻絕非易事。為了測量電子可能存在的EDM，一個不難想到的手段是，將電子放進一個電場中。如果EDM存在，電子會出現進動（其自轉軸在電場作用下旋轉），這時科學家就能從電子的進動周期推測出EDM。但在實際操作中，測量EDM這麼小的量需要的電場強度超出了實驗室能產生的強度，而且強大的外加電場會讓電子還沒來得及測量就飛到正極去了。

　　因此，研究人員一般利用分子和中性原子的內部電場（強度比實驗室能產生的高百萬倍）。為了得到足夠強的信號，一般需要把足夠數量的分子/中性原子對齊，調整到同一狀態，然後再誘發外層電子（或價電子）的進動。為此，研究人員將待測分子/中性原子製成粒子束射入測量區域。粒子束不可能在測量區域待很久，這大大限制了測量的時間。儘管如此，在射出兩千五百多萬束氧化釷（ThO）分子后，哈佛大學和耶魯大學的ACME組還是在2014年的Science期刊發表了重要的階段性成果：雖然沒有觀測到EDM，但這也表明，電子EDM的上限是8.7 *10-29e·cm，這是人類所能達到的極限。而要想繼續探索EDM是否存在，則需要進一步提升試驗靈敏度。

　　在近期發表於Physical Review Letters的論文中，科羅拉多大學博爾德分校JILA研究所的Eric Cornell團隊採取了不同的策略，他們不使用粒子束，而是把四氟化鉿離子束縛在旋轉的電場中，這樣離子不會直線飛出測量區域，而是沿著弧線飛出，這給了研究者更長的觀測時間以提高測量敏感度。2013年，他們把測量電子進動的時間提高到了100毫秒；而在上個月新發表的結果中，他們已經將這個時間提高到了700毫秒。由於仍然沒有測得EDM，這意味著EDM的上限不會超過1.3 *10-28 e·cm。

　　

　　JILA Cornell組的實驗概覽。用旋轉電場離子化-誘發電子進動-激光解離確定進動朝向。

　　目前Cornell團隊測得的結果尚未超過此前的記錄。Cornell表示，他們的實驗還有提高的餘地，因為離子之間會相互干擾對方的自旋，從而限制了離子可以同時被測量的數量。

　　為了獲得更好的結果，Cornell 在10月已經開始了新的研究，他困住了更多的離子，這「將在2年內，使敏感度提高10倍」，他也有信心將測量時間提高到1秒以上。為了提高觀測時間，Cornell還計劃在今後用穩定性更高的氟化釷進行試驗。

　　與此同時，其他研究團隊也在通過不同的手段，試圖測出電子的EDM。賓州州立大學的Weiss計劃用激光將冷卻的銫原子束縛幾秒鐘，並希望將目前的記錄提高30倍。2013年的記錄保持者，來自帝國理工學院的研究團隊，計劃在5年內將記錄提升1000倍。該團隊的領導者Hinds表示，如果在這一靈敏度下仍然沒有發現EDM，就將意味著預測EDM存在的許多假說都將宣告失效。

　　到目前為止，沒有一個實驗能說明EDM有非零值，這些組都希望打破這個記錄。可以預見的是，在今後數年間，或是EDM出現的新聞引爆整個物理學界，物理學將翻開新的篇章；或是隨著靈敏度的不斷提升，EDM始終未能出現，直至整個假說的坍塌。但無論如何，對於「宇宙為什麼會存在」這個問題，我們的思考與探索將一直持續下去。

什麼叫電子？電子很多，是完全一樣的嗎？也就是沒有差異的。世上沒有絕對園的東西。