宇宙之所以存在，是因为电子不够圆？

来源：环球科学微信公众号

我们的宇宙蕴藏着众多尚未破解的难题，而宇宙的存在本身，就足够令人费解。宇宙大爆炸创造了等量的物质与反物质，它们之间的碰撞理应让宇宙消失，而阻止这一进程的，只能是某种不为人知的不对称性。为了找出物质与反物质之间的不对称性，物理学家已经做了很多尝试。而现在，他们正将寻找对象对准了电子——如果电子不够圆，那么宇宙存在的悖论或许就将破解。

撰文| 顾金涛

编辑 | 吴非

在138亿年前的那场大爆炸之后，物质构成了宇宙中的每一个星系、每一颗行星，以及每一个生命。但在宇宙起源的背后，是一个至今未能破解的难题：按照目前的理论，大爆炸过程创造出等量的物质与反物质。当物质和与之对应的反物质相遇，例如电子与正电子碰撞，将发生湮灭——物质消失而只剩下能量。

按照这一理论，宇宙中的所有物质都应该消失，宇宙也随之毁灭。然而，当我们站在这里，就意味着整个过程中一定存在某种漏洞——事实上，在大爆炸发生后，大约十亿分之一的物质依然存活到了今天。

为了解开物质-反物质的悖论，物理学家认为，物质与反物质之间一定存在着某种不为人知的不对称性。此前，物理学家对物质与反物质的质量、电荷等性质进行了精确的测量，却始终没有找出任何不对称的迹象。

1967年，当安德烈·萨哈罗夫研究物质-反物质不对称时，发现一个看上去毫无关联的对称性——时间反演对称。当其被破坏时，才能保证宇宙各处物质都比反物质多。而打破这一对称性的，可能是一个意想不到的答案：电子的形状。

电子的形状，或许是解开物质-反物质谜团的关键

在很多人眼里，电子只是一个带负电荷的几何点；但是对于一些物理学家来说，它是一团有大小、有形状的云——不是原子周围的电子云，而是电子本身。这团云由电子中心周围不断出现消失的正反粒子对组成，从而赋予了电子的形状。

很多物理学家怀疑，电子并非完美的球形，而是因为电荷分布的不均匀而呈蛋形。而一旦电子的电荷分布不均匀，也就是存在电偶极距（electric dipole moment，EDM），就可能对宇宙的起源问题产生极其深远的影响。按照标准模型理论，无论时间向前还是向后，物理过程都不会发生变化。而电子EDM的存在，则将违背时间反演对称。

根据目前的试验结果，如果电子存在电偶极距，其扭曲的上限约为10^-27 mm。

不过，电子EDM的测量却绝非易事。为了测量电子可能存在的EDM，一个不难想到的手段是，将电子放进一个电场中。如果EDM存在，电子会出现进动（其自转轴在电场作用下旋转），这时科学家就能从电子的进动周期推测出EDM。但在实际操作中，测量EDM这么小的量需要的电场强度超出了实验室能产生的强度，而且强大的外加电场会让电子还没来得及测量就飞到正极去了。

因此，研究人员一般利用分子和中性原子的内部电场（强度比实验室能产生的高百万倍）。为了得到足够强的信号，一般需要把足够数量的分子/中性原子对齐，调整到同一状态，然后再诱发外层电子（或价电子）的进动。为此，研究人员将待测分子/中性原子制成粒子束射入测量区域。粒子束不可能在测量区域待很久，这大大限制了测量的时间。尽管如此，在射出两千五百多万束氧化钍（ThO）分子后，哈佛大学和耶鲁大学的ACME组还是在2014年的Science期刊发表了重要的阶段性成果：虽然没有观测到EDM，但这也表明，电子EDM的上限是8.7 *10^-29e·cm，这是人类所能达到的极限。而要想继续探索EDM是否存在，则需要进一步提升试验灵敏度。

在近期发表于Physical Review Letters的论文中，科罗拉多大学博尔德分校JILA研究所的Eric Cornell团队采取了不同的策略，他们不使用粒子束，而是把四氟化铪离子束缚在旋转的电场中，这样离子不会直线飞出测量区域，而是沿着弧线飞出，这给了研究者更长的观测时间以提高测量敏感度。2013年，他们把测量电子进动的时间提高到了100毫秒；而在上个月新发表的结果中，他们已经将这个时间提高到了700毫秒。由于仍然没有测得EDM，这意味着EDM的上限不会超过1.3 *10^-28 e·cm。

JILA Cornell组的实验概览。用旋转电场离子化-诱发电子进动-激光解离确定进动朝向。

目前Cornell团队测得的结果尚未超过此前的记录。Cornell表示，他们的实验还有提高的余地，因为离子之间会相互干扰对方的自旋，从而限制了离子可以同时被测量的数量。

为了获得更好的结果，Cornell 在10月已经开始了新的研究，他困住了更多的离子，这“将在2年内，使敏感度提高10倍”，他也有信心将测量时间提高到1秒以上。为了提高观测时间，Cornell还计划在今后用稳定性更高的氟化钍进行试验。

与此同时，其他研究团队也在通过不同的手段，试图测出电子的EDM。宾州州立大学的Weiss计划用激光将冷却的铯原子束缚几秒钟，并希望将目前的记录提高30倍。2013年的记录保持者，来自帝国理工学院的研究团队，计划在5年内将记录提升1000倍。该团队的领导者Hinds表示，如果在这一灵敏度下仍然没有发现EDM，就将意味着预测EDM存在的许多假说都将宣告失效。

到目前为止，没有一个实验能说明EDM有非零值，这些组都希望打破这个记录。可以预见的是，在今后数年间，或是EDM出现的新闻引爆整个物理学界，物理学将翻开新的篇章；或是随着灵敏度的不断提升，EDM始终未能出现，直至整个假说的坍塌。但无论如何，对于“宇宙为什么会存在”这个问题，我们的思考与探索将一直持续下去。

参考资料

https：//www.livescience.com/41835-spinning-trap-measures-electron-shape.html

https：//physics.aps.org/articles/v10/111

https：//journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.153001

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