Deep Dive
Shownotes Transcript
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似乎每个新闻周期都充斥着人们挑战法律界限的故事。为了帮助阐明正在塑造我们国家的复杂法律问题，CAFE 组织了一支法律专家团队，推出了一个名为……的新播客。
嘿，我是Noam，我们本周有一期特别节目。
《难以解释》最近获得了一个绝佳的机会，制作了一个时长一小时的广播特别节目，在全国各地的广播电台播出。
为了制作这个广播特别节目，我们采用了我们的第一期节目——关于Vera Rubin及其暗物质研究的故事，并将其与我们另一期最受欢迎的节目结合起来。该节目讲述了2021年对一种名为μ子的亚原子粒子的实验如何为科学家们持续寻找暗物质提供新的线索。但我们不希望这期节目只在广播中播出。我们也希望将其带给你们，我们的播客听众。所以，这里就是了。
我记得第一次看《黑衣人》电影时的情景。我当时可能还在三四年级，整部电影都非常有趣。它轻松愉快，充满动作。
然后我看到了最后一幕。镜头逐渐拉远。你看到纽约市的所有树木、地球、月球、土星、整个星系，直到镜头拉远到你可以看到所有东西都只是一个小弹珠里的东西。袋子里还有很多其他的弹珠。这些外星人只是把它们扔来扔去。这有点吓到我了。我做噩梦，梦到永远被困在这个弹珠袋里。
只是想想我知道的一切和所有我爱的人都如此渺小。甚至我们的宇宙也是微不足道的。但这只是一部电影。这是一个关于发现它是真实存在的科学家的故事。需要明确的是，不是外星人的部分，但她发现我们能看到的一切、能触摸的一切、知道的一切都只是宇宙真实存在的一小部分。
所以那是20世纪60年代后期，傍晚时分，星星出来了。就在亚利桑那州图森市郊外，在基特峰国家天文台的沙漠中。Vera Rubin是一位对星系运作方式非常感兴趣的天文学家，她和她的合作者Kent Ford正在准备将其中一台望远镜指向基特峰。
指向夜空。他们拥有这台先进的望远镜，他们正将其指向仙女座星系边缘的恒星。他们试图获得这些恒星的速度。这些恒星围绕仙女座运行的速度有多快？在那之前，人们对其他星系中的恒星如何运动有一个假设。即靠近中心的恒星将围绕星系的中心飞行
而较远的恒星将比靠近中心的恒星慢。其想法是它们基本上就像我们太阳系中的行星一样。
所以水星围绕太阳飞行是因为它离太阳很近。它的速度非常快，超过每小时10万英里。你知道，它从太阳那里获得了所有引力。冥王星离得很远。从太阳那里获得的引力较少，速度慢了10倍。所以它就像，嘟嘟嘟嘟嘟，总有一天我会到达那里。但是这种认为越远的恒星速度越慢的想法，就像冥王星一样，只是一个假设。
几乎没有人尝试过在星系中遥远的地方做事情。Vera于2016年去世，但我们有她以前采访的录音。我一直持怀疑态度，因为我认为如果你没有学到什么东西，你就不知道它。你不能仅仅推断出来。Vera追求的是伟大的东西。我想我想要证实牛顿定律。
所以他们在那台望远镜旁，慢慢地收集数据，当他们这样做时，Vera注意到了一些意想不到的事情。我们发现非常遥远的恒星运行速度几乎与内部的恒星完全相同。这些恒星，仙女座中这些炽热的年轻恒星，运动速度比牛顿引力允许的要快得多。它们的速度如此之快，以至于你预计它们会飞走，像弹弓一样射向太空。
这与每个人的预期完全不同。有两个同样令人不安的解释。要么牛顿万有引力定律是错误的，要么我们不知道星系边缘发生了什么。那里一定发生了我们不了解的事情。♪
这是《难以解释》，一个关于我们所有未知事物的节目。我是Noam Hassenfeld。这不是一个关于答案的节目。它是关于问题的。为什么它们很重要，什么阻碍了解决方案，以及如何应对未知。我们从最大的科学未知之一开始。宇宙是由什么构成的？
Vera在亚利桑那州沙漠中所做的观察，让她走上了一条面对这个巨大的科学问题的道路。最终，这将颠覆物理学家对宇宙的认知。
但这并不意味着Vera当场就灵光一闪。我的意思是，回想起来，我当时非常愚蠢，因为我没有为此感到兴奋。当她进行观察时，Vera有几个选择。选择一，她可以忽略它，就说它没什么大不了的。我的意思是，当你第一次看到它时，我认为你害怕的是，你害怕犯愚蠢的错误。
你知道，那里只有一些简单的解释。选择二，她可以做科学界经常发生的事情。根据有限的数据得出宏大的、全面的结论。当然，你知道，在科学界，这可能有点像一场竞赛。但科学作家Ashley Yeager说，Vera选择了第三个选项。她想收集更多的数据。
她从不假设任何事情。她总是说，好吧，我不只是想相信这一点。有什么数据可以支持这一证据吗？老实说，这就是让我如此钦佩Vera的原因之一。她有机会凭借一些疯狂的结论震惊科学界，但她等待了。她很谨慎。所以Vera和另外几个人，他们真的开始系统地研究星系。而且
这不仅仅是仙女座的一次性事件。它们都表现出这种奇怪的恒星行为，这些遥远的恒星运动速度非常快。数据指向一个巨大的问题。恒星不可能仅仅依靠自身运动得这么快。它们需要某种额外的引力作为动力。而且必须有一个来源来解释所有额外的引力，这意味着……那里一定有很多质量在牵引着这些恒星。
但即使科学家们使用最先进的望远镜观察，也没有人能看到任何东西。这就引出了下一个问题，那是什么？
Vera和其他天文学家只能猜测。也许是黑洞，你知道，是我们看不到的非常暗淡的恒星和行星。他们会说那是他们在戏弄棒球，显然如此。但当他们向外看时，他们似乎找不到任何正常物质的证据。在某种程度上，他们基本上不得不承认，我们真的不知道那是什么。
这就是一切变得更加奇怪的地方。“有一种看不见的质量，天文学家称之为暗物质。”暗物质。“潜伏在这些星系的边缘，牵引着这些恒星，使它们运动得非常非常快，比我们曾经假设的要快得多。”为了移动这么多的恒星，需要大量的暗物质，比宇宙中所有其他正常物质的总和还要多。
但它是完全不可见的，这自然会引发许多问题。这是什么东西？不知道。它是由你我构成的物质吗？它是正常物质吗？那甚至意味着什么？还是它是完全不同的东西，我们需要重新思考我们整个宇宙结构？看起来就是这样。这可能是为什么在60年代，这个想法并没有被广泛接受的原因。
在Vera之前几十年，其他科学家也看到恒星和星系的运动速度过快。他们也有Vera在沙漠中遇到的三个选择。一些人选择了第一种选择。他们忽略了它。一些人选择了第二种选择。他们对暗物质做出了全面的结论，但他们没有Vera拥有的所有数据，因此暗物质的想法在科学的边缘徘徊了几十年。我的意思是，要让科学家们重新思考宇宙的整个结构需要付出很多努力。
我认为许多人最初希望不需要暗物质。这不是人们热情拥抱的概念。然后Vera出现了，以及Vera的所有数据，真正改变了暗物质的局面。你知道，她做了20个星系，然后是40个，然后是60个。它们都表现出这种奇怪的恒星行为，这些遥远的恒星运动速度非常快。我的意思是，它积累得太快了。
所以在那个时候，你知道，天文学界就像，好吧，我们必须处理这个问题。Vera说服了世界，而之前的科学家做不到。我认为这是因为她在这么多的星系中都做了这件事。你知道，我们说的是60个星系。真的没有办法否认它。
最终，在亚利桑那州沙漠的那一刻近二十年后，在1985年对世界上最大的天文学家团体的一次演讲中，Vera拥有足够的数据来宣布她宏大的全面结论。大自然戏弄了那些认为自己正在研究宇宙的天文学家。她说，我们一直在研究只构成宇宙一小部分的物质。宇宙的其余部分是我们不理解也看不见的东西。
构成你我、行星和星系中心的物质，就像，那是正常物质，那是日常物质，但这并不是宇宙中大部分物质。我的意思是，你完全颠覆了我们对宇宙的理解。
这有点类似于地球并非宇宙中心的认识。现在，地球不仅不是宇宙的中心，我们所知的物质也不是宇宙的中心。就像宇宙中的大部分物质都是某种
我们甚至无法描述的疯狂事物。我们不知道那是什么。我的意思是，这令人难以置信。光是想想就让人头疼。这几乎是一种反向的尤里卡时刻。Vera Rubin并没有发现什么东西。她发现了我们不知道有多少东西，我们知识中的空白。今天，这个空白仍然存在。但这并没有阻止科学家们试图填补它。
我和Vox科学记者Brian Resnick谈过，以了解自Vera Rubin的研究以来，科学家们对暗物质了解了什么。我们从最基本的问题开始。它的物质是什么？它是由什么构成的？是的，没有人知道。所以，如果你感到困惑，那么你就处于科学的当前状态。我们不知道暗物质是什么。我们对它是什么样的东西有任何猜测吗？好吧，科学家认为它是一种粒子。
那是什么？那是像原子一样的东西吗？比原子小吗？比原子小。所以粒子是自然界的基本构成要素。它们就像构成现实的最小乐高积木。所以我们认为暗物质可能只是这些小乐高积木中的另一个。好的。但它就像，作为自然界的构成要素，它真的很奇怪。如果你尝试的话，你无法触摸暗物质。它会直接穿过你的身体。它有点像幽灵。好的，所以它是不可见的。你无法触摸它。
它听起来像是编造的。它不是编造的。这就是我们的观察让我们想到的。天文学家甚至看到了这些星系团相互碰撞。当这种情况发生时，暗物质直接穿过了。
这就是暗物质很难找到的原因。是的，我的意思是，你怎么找到一种看不见也摸不着的东西呢？这听起来像是一个不可能解决的问题。它几乎是不可能的，这真的很酷。为了解决这个问题，我们实际上必须前往地球上最深的地方。
我的名字是Prisca Cushman，我是明尼苏达大学的物理学教授。所以我采访了这位物理学家Prisca，我不得不说，在我们的一次视频聊天中，她的两只宠物鸟飞进了镜头，一只落在她的每个肩膀上，她继续进行采访。真的吗？是的。我不会称她为海盗，但她至少是一位非常酷的探险家。她正在矿井底部进行这项实验。♪
你穿上带有安全帽和工具带的套装，然后
你进入一个大型的、巨大的电梯，当然还有其他矿工一起下去。矿工们在科学家们之前下车，实际上是因为矿井在地下很深，那里实际上很暖和，因为你知道，它更靠近地球中心。然后你进入一个尘土飞扬和炎热的环境。你在普通的矿井巷道里。所以你必须步行大约一公里才能到达实验室本身。
寻找暗物质的真正难点在于它可以直接穿过正常物质。问题是，我们的大部分科学或所有科学设备都是由正常物质制成的。所以这就像试图用普通的球套接住一个幽灵棒球。数十亿甚至数万亿个暗物质粒子不断穿过地球，穿过你我，穿过我们的探测器。
但它们大多不与探测器相互作用。它们大多直接穿过它，因为它们的相互作用非常弱。但是，这是希望所在，偶尔，暗物质粒子可能会轻微地撞击正常物质原子的原子核。因此，该原子核所在的晶体
会产生一个微小的震动，我们实际上可以探测到。所以这里的隐喻，这非常简化，就像他们创造了一个极其微妙的铃铛。如果你把其中一个原子核移位，就像轻轻敲击铃铛一样。这种敲击声非常微弱，以至于当你听到所有其他粒子撞击它的所有其他敲击声时，几乎不可能听到。
这就是为什么他们要深入地下。这个东西被屏蔽了来自太空的宇宙辐射，来自我们的太阳。而且它有一种美丽的耐心，只是静静地等待和倾听，希望宇宙中最常见的物质来源是
总有一天会向我们显现自己。他们找到粒子了吗？没有。我之所以进入这个行业，是因为我认为我将在五年内探测到它。对她来说已经快20年了，仍然一无所获。我想我对五年内发现它的可能性不那么乐观了。
你知道，世界各地都有实验试图探测暗物质。他们甚至试图在欧洲的大型强子对撞机（大型粒子对撞机）中创造它。没有人发现任何东西。我必须说，我的意思是，我知道所有这些科学家都在世界各地寻找它，但如果它根本不存在呢？我的意思是，它是不可见的。它是不可触摸的。我们已经寻找了几十年了。是的。
如果这里还有另一种方法呢？就像我与Ashley交谈时，我一直想到Vera Rubin在沙漠中所做的选择，她所看到的现象有两种可能的解释。要么牛顿万有引力定律是错误的，要么我们不知道星系边缘发生了什么。
天文学家基本上选择了第二个选项，对吧？那里有大量的暗物质。这解释了为什么这些恒星运动速度过快。但我们从未真正解决第一个选项，比如重新设计引力。
所以我的意思是，与其寻找这种听起来像幻想的不可见粒子，不如我们稍微调整一下万有引力定律？这是可能的。真的吗？这使得许多物理学家，特别是那些我在学习这个过程中与之交谈过的物理学家，感到很不舒服。他们不想仅仅抛弃他们一直在做的所有这些伟大的观察。对。
但与此同时，他们知道另一扇门，即暗物质可能是一种由引力产生的海市蜃楼，是我们对引力不了解的东西。他们知道那扇门没有关上。我和另一位物理学家Priya Natarajan谈过，她非常喜欢思考科学问题中这些宏观问题。
她告诉我，无论是寻找物理事物还是重新思考我们的基本假设，这种情况以前都发生过。在19世纪中期，我们正在绘制天王星的轨道图，天王星绕太阳运行需要很长时间，对吧？发现的是轨道的实际形状与牛顿定律的预测略有不同。这是一个巨大的问题。就像，牛顿定律？不应该被打破。但是
法国应用数学家Urbaine Laverrier意识到，啊哈，有一个有趣的可能性，那就是我们可能错过了一个观测事实。
天王星之外还有一颗行星。某种引力源正在拉扯它，使其摆动。根据摆动，根据天王星偏离牛顿定律的情况，他能够准确预测这颗行星应该位于何处。而且，你知道，果然，科学家们发现了这颗行星，他们称之为海王星。♪
有趣的是，在那之后不久，又发生了类似的事情。水星的轨道出现异常，Urbain Laverrier说：“解释相同。你可能错过了一颗位于太阳和水星之间的行星。”他称之为武神星。他们寻找武神星。我在1876年的《纽约时报》上看到了这个小故事。就像，如果你可以的话，请寻找武神星。寻找这颗穿过太阳的行星。
但他们从未找到武神星，这种异常现象仍然存在。实际上，我们的引力理论需要更新。爱因斯坦需要出现。他告诉我们，像太阳这样的巨大物体实际上会弯曲周围的空间。他的解释解决了这个问题。它解释了为什么水星的轨道位于它所在的位置。所以我们真的需要重新概念化引力。
一方面，我们可以像发现海王星一样发现暗物质。是的。但我们可能只需要再次更新我们的引力理论，这意味着没有暗物质，就像没有武神星一样？是的，武神星这样的行星根本不存在。而且，你知道，就像，我们也可能永远找不到暗物质粒子。可能没有解决方案，因为科学的本质在于我们所知道的一切都是暂时的。是的。
而且，你知道，它可能会发生变化。所以我认为这就是激励像我这样的人继续从事科学的原因，因为它不断地提出越来越多的问题。最终没有什么能够得到解决。
那意味着什么？我的意思是，我们可能永远无法确定地了解暗物质吗？不，我认为教训更像是知识来之不易。但这个过程的一部分是相信我们的观察。人们正在寻找暗物质，因为我们的观察告诉我们它在那里可以找到。而且有很多证据表明它在那里可以找到。♪
比星系边缘快速移动的恒星更多吗？是的。所以我们肯定看到了星系边缘快速移动的恒星。这是一个巨大的证据。但我们还在这些太空气泡中看到了暗物质的证据。就像，物质可以扭曲周围的空间。我们看到光实际上绕着暗物质弯曲。
通过观察暗物质弯曲光线的地方，我们还可以创建暗物质在宇宙中位置的地图。这些暗物质的流动，然后是暗物质细丝相交的区域。这就是气体落入、冷却、形成恒星的地方，你形成了星系。暗物质是我们宇宙的支架。它不仅将星系结合在一起，并防止恒星飞散。
这就是星系位于它们所在位置的原因。你知道，当我们仰望夜空并看到星系时，暗物质是我们看到我们所看到的原因。可以说，暗物质实际上塑造了整个可见宇宙。好的。让我看看我是否可以把这一切都放在一起。说吧。Vera Rubin通过说，你知道，恒星运动速度太快，我们需要一个解释来启动这一切。是的。现在的基本思想是暗物质，因为……
这可以提供我们需要的额外引力。是的，暗物质是质量的来源。但从技术上讲，我们仍然可以重写引力来解释这一切，有点像爱因斯坦那样？我的意思是，你尝试模仿爱因斯坦。是的，从技术上讲这是可能的，但暗物质方面的证据更多。你可以看到它弯曲光线的方式。它帮助我们解释星系是如何形成的。
而且，你知道，归根结底，是的，我们仍然缺少暗物质真实存在的关键证据。我们还没有找到粒子。对。但这并没有抹杀我们对它的其他所有了解。这就像你在海滩上。你有很多沙丘形成。所以我们正处于一种能够理解这些沙丘是如何形成的境地，但我们实际上不知道一粒沙子是由什么构成的。
你知道，Noam，我知道你曾经说过暗物质感觉像是编造的。你仍然这样认为吗？我想听了这些话后，我可以接受这样一个观点，即我们实际上不必了解事物的每一个细节，就能理解它如何运作以及它如何以所有这些方式影响宇宙。我可以理解为什么所有这些科学家都在花这么多时间寻找一种可能如此重要的东西。是的，暗物质需要很多东西来接受。
而且你不必完全相信它，因为你知道，我们没有完美的证据。那么，我们必须接受多少呢？我知道那里有很多暗物质，但我们知道确切的数量是多少吗？据信，宇宙中暗物质的数量是普通物质的五倍。即使称之为普通物质也很有趣，因为宇宙中大部分物质，绝大部分物质都是暗物质。
而且，你知道，我们一直在谈论暗物质就像它是一样东西，但它不必如此。就像，可能存在整个幽灵宇宙。我的意思是，粒子物理学家正在玩这个非常有趣的想法，即一个完整的暗区，就像一整套我们所知道的粒子……
与我们所知的粒子镜像。就像存在一个我们无法接触到的影子宇宙，它由不同的组成部分构成，就像幽灵一样包裹着我们的星系。我们不知道更多，如果我们继续追溯暗物质这条线索，我们会在那层幕后、在那片深渊中发现更多什么。
这真的感觉就像《黑衣人》电影中所有弹珠的那一幕，你知道吗？或者，就像，想象一下，仰望星空，感觉自己如此渺小，但是，你知道，乘以一百万。就像，即使那里所有的恒星与暗物质相比也是微不足道的。我们所知道的一切，我们所看到的一切，我们所编目为宇宙的一切，实际上只是宇宙的一小部分。而这只是……
哦，完全正确。我的意思是，我认为这会给你带来智力上的和认知上的谦逊，对吧？我们同时非常微不足道，你知道，宇宙中微小的、微小的斑点。但另一方面，对吧，我们头骨里的大脑就像这些微小的胶状甜瓜。我们在宇宙的宏伟计划中已经弄清楚了这一切，对吧？
你知道，我们只是小小的见证者。我们在这里待一小段时间。我们的寿命很短，甚至连眨眼的时间都没有。你知道，这应该让我们感到非常谦卑，同时也感到无比敬畏。我唯一能想到的是这种感觉，你有没有徒步旅行过大峡谷，一直走到谷底？
没有一直走到谷底，没有。所以你到达大峡谷。它看起来很大。你在边缘。它看起来像这幅油画。它太大了。但当你开始下降到谷底时，
它只会看起来更大。就像你意识到你在顶部看到的那些小细节实际上很大，就像下降数百甚至数千英尺的崎岖岩壁一样。你感觉自己如此渺小。我喜欢这些时刻，就像意识到问题是如此深刻和巨大。你知道，问题中有一种乐观主义，对吧？它让你感觉我们可以知道它们的答案。我们可以填补我们无知的一点点空缺。
我觉得这正是维拉·鲁宾的故事。你知道，就像，她把我们带到了这个峡谷的边缘。老实说，这是科学并不总是庆祝的事情。我的意思是，维拉·鲁宾在她的一生中有点被忽视了。她从未获得诺贝尔奖。但实际上，是她让我们走上了这条道路。是的，我们不知道在这条道路上会发现什么。
我们一直在进行的关于暗物质是什么以及它可能是什么的丰富讨论，这一切都归功于她。这一切都是因为她指出了我们不知道的这个巨大的空白点。今年早些时候，我们终于在寻找暗物质的道路上获得了一个新的线索。它不是粒子本身，而是其他东西。一种神秘的亚原子摆动，有一天可能会引导我们找到暗物质。
或者它可以帮助我们改写我们对宇宙的理解。休息过后再说。对《无法解释》的支持来自Greenlight。有孩子的家长告诉我，时间过得快多了。在你意识到之前，你的孩子就长大了。他们有了自己的信用卡。
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用一种新的语言来解释……无法解释。我们回来了。我是诺姆·哈森费尔德，这是《无法解释》，一个关于我们不知道的一切的科学节目。在节目的前半部分，我们讨论了暗物质的发现，这种看不见、摸不着的神秘物质将我们的宇宙联系在一起。
尽管科学家知道暗物质的作用，但他们仍然不知道它是什么。他们还没有找到它。但今年早些时候，芝加哥郊外的一个实验室偶然发现了一个可能令人兴奋的线索。
伊利诺伊州巴达维亚费米实验室的实验表明，某些亚原子粒子违反了科学家所写的物理定律。物理学家们感到兴奋，他们说这可能是我们对宇宙理解的一次重大突破。我认为这相当令人难以置信，它们有可能颠覆物理学。我认为整个物理学界都在关注它。
杰西卡·埃斯基维尔是一位在伊利诺伊州费米实验室工作的物理学家。我们非常非常接近可能存在于标准模型之外的新粒子。标准模型。它是物理学中最重要的概念之一。
因此，标准模型试图编目宇宙的所有构成要素。我喜欢解释它的方式是，它有点像元素周期表。元素周期表列出了宇宙中所有类型的原子。但即使是这些原子也是由更小的东西组成的。
原子由电子、质子和中子组成。很长一段时间，我们认为就是这样。物理学家认为他们已经触底了。然后我们又挖掘了一些，并意识到质子和中子实际上是由更多叫做夸克的东西组成的。它们是宇宙的构成要素。物理学家发现电子也不能分解成更小的部分，所以它们也算作构成要素。
然后随着时间的推移，他们开始发现原子外的一些更奇怪的粒子，这些粒子也不能被分解。你有电子的较重的表亲，μ子，以及像中微子这样的奇怪东西。所以这些是构成标准模型的粒子类型，是我们已知的宇宙的基本构成要素。
但是物理学家仍在寻找更多。为此，他们需要在标准模型中找到新的粒子可以容纳的漏洞。我们现在正处于可能已经找到一个漏洞的阶段。这一切都与一种叫做μ子的标准模型粒子奇怪的摆动有关。现在，如果你从未听说过μ子，别担心。电视上很多聪明人都没有听说过。你听说过μ子吗？
没有。μ子有点像不太稳定的电子版本。你怎么拼写它？M-U-O-N。这些奇怪摆动的μ子可能会改变物理学的未来。这就是为什么它如此令人兴奋。它暗示着我们以前从未见过的东西。打开那个标准模型。帮助我们打开那个标准模型。打开它。让我为……
好的，杰西卡，你在费米实验室进行的这个μ子实验可能指向标准模型中的这个漏洞。那么这意味着标准模型不完整吗？
我的意思是，我们已经知道它不完整有一段时间了。我们不断戳它的原因是试图找出漏洞在哪里。我们知道它不完整的一个重要原因是，我们知道引力的概念，并且没有停车位。
标准模型中描述引力概念的粒子或力载体。但我们知道它存在，对吧？因为苹果从树上掉下来，而我没有从座位上飘起来。好的，一个差距可能是一个粒子来帮助解释引力。是的。但当我们观察实际存在的一切时，
标准模型只包含所有事物的5%。其余的是暗物质和暗能量。我们仍然没有弄清楚这如何融入我们的理论以及如何融入我们的标准模型。所以我们知道有很多问题。我们知道有很多东西存在，但我们无法将其融入我们的
这个标准模型。那么这个μ子实验究竟是如何指向标准模型中的一个漏洞或填充该漏洞的新粒子的呢？因此，μ子g-2实验实际上是对我们称之为进动频率的东西进行非常精确的测量。这实际上意味着我们将大量μ子射入非常非常精确的磁场
我们看着它们跳舞。它们跳舞？是的。
当μ子进入磁场时，它们会进动或像旋转的陀螺一样旋转。为什么μ子会跳舞？所以发生的一些非常奇怪的、量子化的、科幻的事情是，当你处于真空或空旷空间时，它实际上并不是空的。它充满了这种翻滚的、沸腾的虚拟粒子海洋或……
随时随地自发地出现和消失的虚拟粒子。因此，当我们将μ子射入这个真空时，它们不仅仅是在我们的磁铁中四处移动的μ子。这些虚拟粒子会不断出现和消失，并改变μ子的摆动方式。等等，对不起，这些不断出现和消失的虚拟粒子究竟是什么？
所以虚拟粒子，我喜欢将它们视为实际粒子的幽灵。所以，你知道，我们有光子会不断出现和消失，它们就像在那里，但实际上并不在那里。我认为对这种量子力学怪异性的一个很好的描述是蚁人。
漫威电影？所以有一个场景是他缩小到量子领域。一切都是像摇摆不定，有些东西在那里，但实际上并不在那里。这有点像虚拟粒子是什么样的。这只是我们习惯看到的粒子的暗示，但它们实际上并不存在。它们只是不断出现和消失，并干扰事情。
因此，量子力学说存在这些虚拟粒子，就像我们已经在标准模型中知道的幽灵粒子一样，不断出现和消失。它们撞击μ子，使它们摆动？是的。但是同样，理论物理学家知道这一点。他们已经提出了一种非常好的理论，说明μ子将如何根据哪些粒子出现和消失而发生变化。
因此，我们特别知道所有这些粒子中的每一个粒子如何相互作用以及在磁场中的相互作用，他们根据我们已经知道的知识建立他们的理论。那么标准模型中有什么呢？明白了。因此，即使有这些不断出现和消失的虚拟粒子，只要这些粒子是我们已知的粒子，例如标准模型中粒子的版本，那么
那么物理学家就可以精确预测它们将如何使μ子摆动。那么发生了不同的事情吗？预测不准吗？所以……
我们刚刚揭示的是，精确测量与μ子在磁场中应该如何摆动的理论预测不符。它的摆动方式不同。我们的想法是，你不知道是什么导致它产生额外的摆动，所以它可能是一些尚未被发现的东西，标准模型之外的东西？是的，就是这样。
那么这会破坏标准模型吗？我在很多标题中都看到过。不，我认为我不会说标准模型被破坏了。我的意思是，我们已经知道它缺少东西很长时间了。所以，那里存在的东西并没有按照它应该工作的方式工作。只是我们在标准模型中添加了更多东西。
就像过去科学家向元素周期表添加更多元素一样，即使在当时，他们也有位置，对吧？他们知道应该在哪里放置一个元素，但他们还没有能够看到它，或者他们还没有能够创造它。我们现在基本上处于这样的状态，我们知道我们有标准模型，但我们缺少东西。所以我们有一些我们试图填补的漏洞。
我想了解物理学家究竟是如何看待标准模型中的这些新漏洞以及他们如何尝试填补这些漏洞的。所以我打电话给纳辛·沙阿。我是一名韦恩州立大学的物理学和天文学教授。为了安全起见，我想确保这些微小的μ子上的微小额外摆动不可能仅仅是某种错误。就像也许他们只是测量错误了，或者也许有人把咖啡洒在了粒子加速器上。哈哈！
不，我们确定。纳辛非常确定，因为最近的μ子实验与科学家之前在另一个名为布鲁克海文粒子对撞机上进行的实验相符。20年前，我们在布鲁克海文进行了这项实验，我们，你知道，设置了这些μ子，让它们在磁场中四处移动，我们观察了它们的摆动程度。
结果表明，它们的摆动似乎比应该的要多一点。结果令人兴奋，但他们并不确定。你确实需要非常小心，例如，如果你没有考虑过某些影响你所做的实验测量的事情，这就是为什么你总是、总是需要验证的原因。
所以这就是建立费米实验室μ子g-2实验的全部原因。新的实验、新的探测器、新的位置，所有这些都是为了看看他们是否仍然可以获得额外的μ子摆动。确保原始实验可以复制，并且第一个实验不仅仅是咖啡洒了。所以你希望不会在同一个地方洒同样的咖啡。
结果与布鲁克海文的结果非常一致。所以我们非常确定的是，实验中没有搞砸
实验中没有错误。现在仍在讨论这里一些极其复杂的数学问题。但纳辛说，无论如何，可能正在发生一些奇怪的事情。没错，没错。这就是为什么我认为我发现现在正在发生的事情非常令人兴奋，对吧？因为有些事情正在某个地方发生，对吧？所以就像，好吧，我们必须去寻找它在哪里。
现在，希恩强调了三种解释，值得讨论一下是什么导致了这种额外的μ子摆动。首先，有一种叫做轻夸克的东西，这将是我们以前从未见过的新粒子。然后是超对称性，这将为我们提供一整套新的粒子。最后，有可能存在一种我们尚未发现的全新力。所以，选项一。轻夸克。轻夸克是可以与μ子和夸克相互作用，甚至可以将μ子变成夸克的粒子。
物理学家在理论上讨论过这些，但这种额外的摆动可能是它们真实存在的标志。
或者摆动可能是选项二的标志：超对称性。我真的很喜欢超对称性。它说，对于每个标准模型粒子，都需要有一个我们称之为超伙伴的粒子与之相关联。它被称为超对称性，因为它赋予标准模型中的每个粒子一个几乎相同但并不完全相同的镜像粒子。所以它实际上是一个存在已久的想法。
我们一直在寻找
这种理论的迹象有一段时间了，我们还没有看到任何东西。但我个人仍然认为这是最引人注目的故事之一。如果这些粒子被发现，那将是巨大的。它将基本上使我们标准模型中的粒子数量翻倍。这些新的超伙伴已经有一些非常棒的名字了。我们决定在每个名字前加上一个S来命名所有超伙伴。
例如，电子必须有一个选择子，μ子必须有一个与之相关的sμ子。
我最喜欢的是夸克，它将是夸克的超对称伙伴。我们有非常严肃的、非常专业的研讨会、座谈会和讨论，所有这些名字都在其中。但超对称性不仅仅是好笑的名字。这些超对称模型的好处是，它们带有一个实际上可以作为暗物质候选者的粒子。
因此，如果这种μ子摆动导致我们发现超对称性，那么超对称性可能会导致我们发现暗物质粒子。对。
所以这是选项二：一整套新的粒子。选项三变得更加奇怪。还有第三个方面，例如，一种额外的力。不仅仅是一种新的粒子或一组新的粒子，而是一种全新的力。像我们尚未发现的电磁力一样的东西。这可能会使μ子摆动得如此厉害。所以除了我们的电磁力
和弱力和强力之外，也许还有一种我们不知道的额外力。
这种新的力也会伴随着它自己的新粒子。它们是耦合在一起的，因为通常新的力也会伴随着新的力载体。对吧？就像，你知道，电磁力，对吧，那是电力，是由光子、光来介导的。对吧？交换光子是介导力的方式。所以选项三，这种新的力及其新的粒子，可能会使μ子摆动。
所以如果你有一种新的力，那么这可能会在那里引起某种轻微的摆动。好的，深呼吸。我们有这三种可能性来解释额外的μ子摆动。它可能是由轻夸克（这种新粒子）、超对称性（一整套新的粒子），甚至是我们尚未发现的新力引起的。
费米实验室实验中这种摆动的μ子，就像面包屑线索一样。我们有这三种想法，可能是什么造成了这些面包屑。所以下一步是科学家们试图弄清楚整个面包是什么。我们必须做的是找出这个面包屑的成分。对吧？它上面有一点肉桂吗？或者是一些香草？所以你说，好吧，这暗示我有一种具有这种特性的粒子。
如果存在一种具有这种特性的粒子，我应该能够进行这个实验并直接产生它。从本质上讲，科学家需要继续进行更多实验，以尝试沿着每一条路径前进，看看这些面包屑是否会导致一个面包。我们实际上现在正在进行很多不同的实验。
对，实际上正在以不同的方式研究所有这些不同类型的理论。这是一个持续动态的过程。这个持续的动态过程就在边缘，只是凝视着新粒子、新力和新物理学的未知领域。
看，你真的需要知道轻子或轻夸克是什么吗？可能不需要。但这所有的一切都意味着物理学家仍在试图弄清楚我们的宇宙是由什么构成的。费米实验室的实验可能只是指向了正确的方向。我希望如此。我真的很希望如此。纳辛不是唯一一个抱有希望的物理学家。
我已经从事粒子物理学大约15年了，有很多事情来了又走了。而这真的是第一件出现并留下的东西。所以说实话，我甚至真的不知道在这种情况下该如何感受。我们接受的训练总是非常怀疑。这是第一次，就像，哦，我们将如何回应这种意想不到的事情？我们正在追逐新的物理学，我们如此接近，我们可以品尝到它，这是……
这是未知的。就像第一口非常好的饼干一样，你知道接下来的几年我们会再吃一口，我们对宇宙有很多不了解的事情。你知道，μ子是怎么回事？超对称性是怎么回事？暗物质如何融入这一切？宇宙为什么是这样的？我们为什么是这样的而不是其他方式？
我认为人们有一种与生俱来的愿望，想要了解我们是谁，我们从哪里来，我们在世界上的位置是什么。我认为有很多不同的方法可以回答这个问题，无论是通过故事、音乐还是电影。但我认为也通过物理学，我们可以真正深入了解宇宙的核心。令人兴奋的是，这可能会给我们一些线索，让我们了解真正发生了什么。而我正在做的工作的事实
将来可能会出现在教科书中。人们可以学习G-2在发现暗物质粒子方面所起的作用。就是这样。仅仅想到这一点就让我不寒而栗。
这是《无法解释》，一个来自Vox的关于我们不知道的一切的科学播客。如果你喜欢你听到的内容，请在Apple Podcasts、Spotify或你收听的任何地方查看我们。我们有关于荧光粉红色飞鼠、珠穆朗玛峰不断变化的高度等剧集。
可能导致长期新冠肺炎的原因，每个人都有适合自己的东西。感谢所有为本集与我们交谈的物理学家，所以是杰西卡和纳辛，还有布伦丹·基伯格、普里斯卡·库什曼、普里亚·纳塔拉扬、布莱恩·肖维特、杰西卡·缪尔、莎拉·德默斯和罗多尔夫·卡普塔比利亚。
本集由布莱恩·雷斯尼克、诺姆·哈森费尔德和我，伯德·平克顿制作和报道。我们得到了梅雷迪思·霍德诺特、艾米·德罗兹多夫斯卡和利兹·凯利·尼尔森的编辑，以及伊丽莎·巴克莱、吉利安·温伯格和艾莉森·罗基的额外帮助。我们的音乐是由诺姆创作的，我们的声音设计和混音来自克里斯蒂安·阿亚拉和阿菲姆·沙皮罗。
曼丁·阮和塞西莉亚·莱对本集进行了事实核查。劳伦·卡茨负责参与。凯瑟琳·威尔斯负责解释性音频。利兹·凯利·尼尔森是Vox音频的副总裁。感谢布兰登·桑托斯、林赛·亨宁、杰西·波皮、凯蒂·麦克、凯瑟琳·苏里希、艾伦·莱特曼和大卫·德沃金。本集中的档案录音来自大卫和美国物理研究所。
《无法解释》是Vox媒体播客网络的一部分。你可以在vox.com/unexplainable找到文字记录和文章。请随时将你的任何想法发送到vox.com上的unexplainable。再次声明，这是来自Vox和APM（美国公共媒体）的《无法解释》。打开那个标准模型。打开它。让我从音乐中听到它。
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