有时，当大自然提出一个看似难以逾越的问题时，她会在意想不到的地方同时揭示一种微妙的现象，从而打开通往巧妙解决方案的大门。例如，在19世纪，法国哲学家奥古斯特·孔德明确指出，恒星的构成不仅是未知的，而且是永远不可知的。孔德不可能预见到，在他去世三年后的1860年，人们会偶然发现星光中的暗吸收线，并利用这些吸收线像读一本书一样清晰地解读恒星物质的元素。
一个世纪后，一个不那么遥远但更为根本的谜团以同样出人意料的方式得到了解决。1952年，伟大的数学家兼物理学家赫尔曼·外尔，爱因斯坦在普林斯顿高等研究院的同事，出版了一本为大众读者编写的精美插图小书《对称》，他在书中明确宣称，在所有物理学中，没有任何迹象表明左右之间存在内在差异。就像空间中所有点和所有方向都等效一样，左右也等效。外尔认为，左右之间的真正差异是不可知的。但在1957年，也就是他去世两年后，华盛顿特区国家标准局的一个物理学家团队发现，当钴60原子核被冷却到足够缓慢的状态并排列在磁场中时，它们表现出这样一种几何特性：它们的自旋可以区分为左手性或右手性。这一发现引发了基本粒子理解领域的一场革命，并立即为建议进行这项实验的年轻华裔理论家杨振宁和李政道赢得了诺贝尔奖。
一个现代例子，说明大自然最深层的秘密以意想不到的方式被揭示，涉及确定固体材料原子之间不可及区域的磁场强度——这个世界就像恒星内部一样遥远。由于内部磁场会影响电流的行为，因此集成电路和其他电子设备的设计者迫切需要这些测量。然而，使用传统技术进行这些测量极其困难。（例如，核磁共振只揭示原子核附近区域的磁场，而不是充满原子之间外部空间的磁场。更糟的是，该技术根本不适用于金属，因为金属会屏蔽传输信息的微波信号。）当材料的尺寸是微观的，就像计算机芯片表面上数十亿分之一米厚的结构一样，内部磁场完全无法测量——至少直到现在是这样。但一个优雅的解决方案可能已经摆在眼前，可以解决这个看似棘手的问题。它是由鲜为人知的μ子自旋旋转技术提供的，该技术利用了一种奇异的“格格不入者”，称为μ子，在基本粒子动物园中。由于μ子的名称来源于希腊字母μ（发音为mew），因此该方法被缩写为μSR。
μ子是在寻找将原子核固定在一起，防止其因组成质子的正电荷斥力而解体的“胶水”时偶然发现的。在20世纪30年代，理论物理学家曾推测，这种“胶水”，像世界上所有其他事物一样，可以被视为是颗粒状的，就像光可以被想象成由称为光子的粒子组成一样。假设的“胶水”粒子预计其质量比质子（所有原子核中最轻的）轻，但比电子（它们最终会衰变到电子）重，因此它们被称为介子，源自希腊语“中间”。当这种质量范围内的物体实际上在不断倾泻到地球上的宇宙射线雨中出现时，理论家们欢欣鼓舞。但在1947年，就在第二次世界大战结束后，他们得知了一个简单的实验，这个实验是在被炸毁的罗马一所大学实验室里用简陋设备进行的，结果证明这些宇宙射线与原子核的相互作用强度比他们预期的弱万亿倍。如果这是“胶水”，它就不粘！不可避免的结论，尽管是迅速但不情愿地得出，是真正的“胶水”尚未找到，而那些被称为μ介子的宇宙射线粒子，是完全出乎意料和新颖的东西，不符合任何人的世界观。当受人尊敬的美国诺贝尔奖得主伊西多·伊萨克·拉比得知这些奇怪的“野兽”时，他沮丧地喊道：谁订的这个？
最终发现，在几乎所有可想象的方面，μ子都是独特的。（最初的名称“介子”改为“μ子”，是为了将该粒子与后来发现的真正的核“胶水”粒子——介子区分开来。与电子和正电子，或质子和反质子，它们是反粒子对不同，正μ子和它的负反粒子都使用相同的名称；一致性并非基本粒子命名法的标志。）与介子相比，μ子与原子核的相互作用极其微弱。它的寿命既不像质子或电子那样无限，也不像典型介子那样短暂，后者只存活百万分之一秒。事实上，一个由宇宙射线与大气原子碰撞产生的μ子，大约需要两整微秒才会自发衰变为一个电子（或者，如果是正μ子，则衰变为一个正电子）和一对中微子。
μ子最神秘的属性是它的质量，大约是电子的200倍。尽管半个世纪以来，严肃的理论家和狂野的投机者付出了坚定的努力，但至今仍无法解释这个数值，也无法从更基本的原理推导出来。与此形成鲜明对比的是，μ子内在磁性的强度可以根据相对论和量子力学计算到百万分之几的精度——这是物理学中最精确的计算之一。由于μ子与电子和中微子有家族相似性，它被归类为轻子（源自希腊语“轻量”），但其质量使其成为重轻子——一个典型的矛盾修辞法。
即使在衰变时，μ子也表现出奇特的行为。当它衰变时，其方式与钴60原子核的偏向性衰变类似。如果我们将一个负μ子想象成像地球一样旋转（从北极上方看是逆时针方向），镜像对称性将要求电子以相等的概率在赤道上方和下方发射——但事实并非如此。电子表现出强烈的偏好，倾向于向南方发射。因此，我们可以向遥远星系中从未被教导左右区别的异星物理学家发出无线电信息：“观察负μ子的衰变。如果你能将手指卷曲成其自旋的方向，而拇指指向衰变电子的方向，那么你使用的是左手。”通过参照μ子，左右可以被明确地区分出来。
μ子在基本粒子中独有的特性——其中间质量、长寿命、与原子核相互作用的微弱性以及偏斜的衰变模式——恰好与其充分理解的磁性结合，使其成为内部磁场的理想探测器。当一个正μ子进入固体时，由于其与原子核的弱相互作用，以及其巨大的质量优势，它相对不受原子核和电子的影响。一旦它在原子之间的间隙空间中静止下来，它就开始绕着局部盛行的磁场方向进行进动。它的运动类似于一个儿童的锥形陀螺在光滑地板上旋转：陀螺的轴缓慢地绕着垂直方向（重力方向）进动。进动速率可以根据陀螺的形状和重量、旋转速度以及引力强度来计算。另一方面，μ子的进动速率由其自身已知的磁场强度和所处磁场的大小决定：磁场越强，施加在μ子上的力越大，进动速率就越快。因此，如果我们可以观察到这种进动，我们就可以通过简单的计算推断出μ子周围的磁场。
如果故事到此为止，那将毫无意义，因为埋藏在固体中的μ子与外界隔绝。但大自然恰好提供了一种监测它们进动的方法。正μ子发射的衰变正电子并非随机方向，而是优先沿着旋转轴。因此，一群进动的μ子就像一个旋转的草坪洒水器，将其旋转速率广播到远处。一个计算射出正电子束有节奏的升降的监测器，可以测量μ子的进动速率。（这个图像令人着迷地联想到当前接受的脉冲星模型——一个紧凑的旋转恒星，其光线只从其磁轴射出，而磁轴与地理轴不一致，因此以周期性的节奏扫过我们。）通过测量正电子信号的进动频率，可以确定μ子所在位置的内部磁场的强度和方向。这就是被称为μSR的技术，它巧妙地利用了μ子所有独特的性质。
µSR的先驱之一是物理学家威廉·J·科斯勒，他的办公室就在我隔壁，位于弗吉尼亚州威廉斯堡的威廉与玛丽学院。杰克，朋友们都这么叫他，是一个瘦小、面带微笑的男人，长着一头蓬乱的灰白色头发，浓密的眉毛与头发相配，总是衣衫不整。他的夹克领子后面经常是翻进去的，但杰克在穿着上的不修边幅，却弥补了他思维的敏捷。无论白天黑夜——在走廊、办公室、餐厅或游泳池——他都乐于就物理学的最新进展或某个令他着迷的绝妙新想法展开热烈的讨论。多亏了他迷人的个性，我相信即使我每周和他交流的句子不多，而且我们的专业领域重叠也不多，但我对他工作的了解比我其他任何同事都要多。
杰克大约30年前在普林斯顿获得了博士学位，论文研究的是原子核的磁性。他使用的技术是由I.I.拉比发明的，拉比又将其传授给杰克的论文导师之一。因此，拉比的学术孙子能够对“谁订的这个？”这个问题给出响亮的答案。
在真正开始用μ子做实验之前很多年，杰克就了解了它们的非凡潜力，并决定尝试加以利用。后来，当他来到威廉与玛丽学院，发现自己身边有一台能够产生μ子的加速器时，他抓住了这个机会。他在1973年的第一次实验中就取得了成功——测量镍和铁中的磁场：这成为理解磁化材料内部磁场构型的重要一步。
在随后的几年中，μ子在固态物理工具箱中占据了永久的一席之地，与微波、光、X射线、热辐射、电子、正电子和中子等物质探测器并驾齐驱。但与这些传统技术相比，µSR存在一个严重缺点：它非常昂贵。宇宙射线作为μ子的来源过于微弱且不可预测，因此必须人工产生μ子才能使其有用。原则上，方法很简单：每当原子核受到任何射弹——电子、质子，甚至是另一个原子核——足够剧烈的撞击时，它就会散发出大量的正π介子，或称π子，它们是最常见的胶子粒子，然后π子又会迅速衰变为正μ子。这些μ子通过磁铁被汇集成紧密的束流，然后被允许撞击正在研究的样品。围绕靶标的探测器记录射出正电子的振荡流。因此，µSR的局限性在于它需要使用强大的核加速器。
当威廉与玛丽学院运营的加速器在1970年代后期淘汰报废后，杰克·科斯勒被迫开始了一场寻找μ子的全球之旅，前往世界各地的其他加速器。有许多加速器能够产生π介子，但他一次又一次地发现，并非所有物理学家都认同他对如何利用它们的看法。加速器由对原子核和粒子物理学有特定兴趣的人建造和操作，他们通常对磁学或材料研究兴趣不大。部分由于这个障碍，µSR的进展一直缓慢，但近年来世界各地实验室取得的一些令人瞩目的成功，使得进展速度加快。
一个特别著名的应用是针对一类奇特的材料，称为自旋玻璃。自旋玻璃正好介于磁性材料（如铁）和非磁性材料（如金）的边界上。在前一类材料中，电子的自旋以及相关的磁场都像篱笆桩一样排列，从而使材料具有磁性。每个单独磁体的微弱强度被电子数量的巨大所弥补，因此最终效果足够强大，可以将我女儿的画固定在冰箱门上。另一方面，在金中，微观磁体恰好太弱，无法影响其相邻磁体的方向，因此它们散乱地指向各个方向，而不是排成一排，从而相互抵消。
某些合金，例如金与百分之几的铁的混合物，形成了完全不同的物质状态，称为自旋玻璃。分散在金原子中的磁性铁原子并没有完全排列，但它们也不是随机指向的。相反，它们成簇排列，每一簇都代表着非磁性金海洋中的一个永久磁化岛。但由于各个簇的磁化方向是随机分布的，因此宏观上的整体磁化强度为零，就像纯金一样。“自旋玻璃”一词并不意味着这种材料像普通玻璃一样透明——事实上，金合金是相当不透明的。自旋玻璃之所以得名，是因为自旋玻璃中磁簇的磁化方向与普通玻璃中分子的取向之间存在类比关系，后者是随机的，但时间上是冻结的。由杰克·科斯勒与新泽西州默里山AT&T贝尔实验室的同事们首次直接观察到这些簇，引起了固态物理学家的关注，并将人们对μ子的兴趣提升到了一个新的水平。
但一个秘密潜藏在暗处。从一开始，μSR的先驱们就意识到这项技术有一个严重的缺陷：它无法处理原子尺寸的样品，例如微观薄膜。原因既简单又令人沮丧：μ子速度太快——这些粒子并没有停留在薄膜中，而是像子弹穿过纱布一样穿透了它们。只有厚重、笨重的靶材才能阻止它们。现有μ子速度过快是其产生方法不可避免的结果。当π介子衰变时，它将大量的质量转化为动能（通过E = mc²），使得μ子像一颗高速子弹一样射出。因此，从一开始，μSR的实践者就梦想着能有慢速μ子束。
减慢正μ子（或任何子弹）的最自然方法是让它穿过一块固体材料。（通过反向电场来减缓其运动被证明是不可能的：所需电压会非常巨大。）这种直接的、蛮力方法的问题在于，μ子在穿过物质时会受到两种不同的影响。它们确实会以平稳、受控的方式损失能量，因为它们会与介质中的原子碰撞——有点像潜水员进入水后迅速停下来。然而，与此同时，它们的电荷会剥离材料内部的电子，这种更具破坏性的过程会对μ子的运动产生扰乱作用。结果是，以高速进入材料的μ子束会变成一群杂乱无章的粒子，其速度范围如此之广，以至于无法用作诊断工具。
接着，戴尔·哈什曼，当时还是不列颠哥伦比亚大学（温哥华）的研究生，发现大自然提供了一个巧妙的方法来解决这个问题。在惰性气体（氦、氖、氩、氪、氙——元素周期表中的隐士）中，电子受到干扰的倾向远不如其他材料明显。哈什曼推断，由于这些元素具有化学惰性，它们的电子排列可能不会受到经过的μ子的干扰。在极低的温度下，大多数惰性气体（氦除外）会变成冰状固体，因此他猜测，如果将一块这样的物质放置在高速μ子束的路径上，可能会以有序的方式减慢它们的速度。他与一群同事在1987年尝试了这项实验，发现固态氩确实具有所需的效果。
正如科学技术领域常有的情况一样，从构思到全面利用的旅程漫长而艰辛。产生有用的慢速μ子束，会因方案实施所需的极端温度以及粒子流过固体时容易使其熔化等技术障碍而变得复杂。但进展已经取得。目前在国际慢速μ子束竞赛中处于领先地位的是瑞士苏黎世附近保罗谢尔研究所的E.莫伦佐尼和他的同事们，他们已经采用了哈什曼的想法并将其付诸实践。他们希望在今年内用他们新构建的束流进行首次μSR实验。
杰克·科斯勒确切地知道需要做什么。今天，高温超导革命七年之后，关于这种现象的完整理论仍然缺失。一个特别棘手的实验障碍是难以精确控制化学成分地生产相关陶瓷材料——除非以原子级薄膜的形式，这种薄膜可以高精度地制备。而这种薄膜又以难以研究而闻名。特别是，如何测量它们内部的磁场？科斯勒知道。你所需要的只是一束慢速μ子——现在他的瑞士同事已经建造了一束。他预测，一旦准备就绪，它将被瞄准高温超导材料的薄膜。将测量内部磁场的强度，然后，他希望，通过研究这个磁场在材料中的分布方式，将提供所需的证据，以区分几种替代模型中哪一个最有前景。
μ子，这个没有人订购的小闯入者，正准备在世界各地的物理实验室中占据前所未有的重要地位。在瑞士、加拿大、日本和美国，正在规划新的μSR设施，它们将以一种令人想起恒星构成之谜和左右之别的方式，证明大自然的精妙。在大自然巧妙地向我们的探测传感器隐藏了固体原子间空间的磁场之后，她又通过允许μ子，在固化惰性气体块的帮助下，最终将它们绘制出来，从而弥补了这一点。爱因斯坦一如既往地是对的，他说：“上帝是精巧的，但他不恶毒”，或者用他自己的翻译来说，“God is slick, but he ain’t mean.”
