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物理学中是否存在第五种基本力?

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伦纳德·凯利拥有物理学学士学位,辅修数学。他热爱学术界,并不断努力探索。

了解大自然的四种力量以及第五种潜在力量的存在。

了解大自然的四种力量以及第五种潜在力量的存在。

潜在的第五种自然力

宇宙中已知的四种力是强核力和弱核力、电磁力,当然还有引力。但是,在我们寻找万物基本理论的过程中,后者顽固地拒绝合作,不肯把所有的力量统一起来。我们知道如何把其他三个联系在一起,但是重力让我们困惑。但在寻找一切事物的过程中,我们知道所有存在的力。我们做什么?有证据表明可能存在第五种自然力,而引力提供了它可能存在的线索。

追逐鬼魂

对第五种力的最初探索源于我们对质量的理解。你看,我们可以考虑它的引力方面和它的惯性方面。从历史上看,它们在本质上是相同的,因此是短暂的,而爱因斯坦的相对论用弱等效原理明确了这一点。它是相对论的核心,没有它,传递同样信息的惯性框架就会陷入危险。下降的对象由于它们的化学成分(我们凭直觉感觉是正确的),它们下降的速度不同。那么,惯性质量和引力质量是一样的吗?(球)

我们有许多实验可以证实一个物体的质量影响它下降的速度。第一个是西蒙·斯特芬,他在1586年从代尔夫特的一座钟塔上扔下物体,发现它们坠落的时间几乎相同。伽利略当然也做过类似的实验。艾萨克·牛顿注意到,单摆钟的周期不是取决于摆动物体的质量,而是取决于摆动臂的长度(同上)。

当然,更精确的测试加速场和引力场等效性的方法最终被设计出来。1889年,罗兰·埃奥特沃斯男爵用扭力天平比较了两个质量相同的不同物体的特性。扭力天平就是一根水平杆,一端有标准质量(本例中为铂),另一端有另一个物体。重力应该使这一点得到平衡,但如果地球自转对两个物体的影响不同,则可能发生自转。也就是说,如果惯性质量不同,地球运动的惯性将产生可检测的旋转。

为了看到这些差异,人们可以在杆的末端放置一面镜子,利用光线来观察旋转。然而,一个困难是由于周围材料的高度和密度的局部变化的重力,所以如果你测试一个南北然后东西向的配置,你已经解决了这个问题,但相当狡猾。在引力上没有什么不同,但如果惯性质量不相等,方向会极大地影响旋转。

因此,如果两个方向产生相同的效果,那么你已经证明两个质量确实遵守弱等效原则。为了防止任何热诱导对流问题干扰钻机,实验在真空和黑暗中进行(因为光也会产生热量)(同上)。

扭转实验。

扭转实验。

这项实验是用各种各样的物体做的,结果显示,在2000万分之一的物体上没有差异。然后在1905年,相对论出现在舞台上,人们再次怀疑,在重力作用下的质量是否与物体的惯性质量有什么不同,特别是在相对运动的高速下这是最重要的。

厄特沃斯回到实验现场,和他的学生德索·佩克(Dezso Peker)和杰诺·费科特(Jeno Fekete)一起,用铂标准质量测试了更多的材料。尽管厄特沃斯于1919年去世,但三年后,新的研究结果发表了,人们对它们的信心也增强了,任何潜在的误差都是2亿分之一。1935年,雅诺斯·雷纳(厄特沃斯的另一名学生)得以改进并将结果误差降至25亿分之一。

这似乎是一个封闭的案例:没有区别,弱等价原则是正确的。没有任何奇怪的、神秘的新力量会引起人们的分歧(同上)

不同材料的结果。

不同材料的结果。

使比率

多年以后,当以法莲·菲施巴赫听说罗伯托·科莱拉和他的团队在1975年进行的一项实验时,他开始对可能存在的第五种力感兴趣。在其中,牛顿引力对亚原子粒子的影响被检验。这让费施巴赫开始思考爱因斯坦的引力对这些粒子的影响,以及这些动力学会是什么样子。他认为,任何这样的新行为都可以解释介子及其反物质对对物的粒子路径,这暗示了它们与重子数的某种关系。各位,这仅仅是对物体中所有夸克和反夸克的计数。

不知为何,不同的行为似乎与这个值相关。如果重子数与组成有关,它就有化学依赖关系…暗示了一些惯性因素。如果你比较重子数与物体质量的比率,你可能会梳理出一些差异。但不管我们怎么看,这个比例不应该是一致的吗?你可能会这么想,但像把原子结合在一起的结合能这样烦人的东西确实会改变原子与原子之间的比例,所以比率确实有一些差异(同上)。

1985年,Fischbach和学生Carrick Talmadge一起研究了Eotvos实验中所用材料的比率,并将其与实验数据进行了比较。令人震惊的是,在厄特沃斯发现的重力加速度差异的误差测量和这些比率之间发现了直接的关联。这是什么意思?科学家们对扭力天平越来越精确,直到他们能够减少这些误差,并表明不存在真正的关系,第五力可能不存在……在小尺度上(Ball, Letzer)。

变色龙

具有讽刺意味的是,追求第五种力量的另一种途径又涉及到重力……某种程度上。宇宙学有许多让人沮丧的奥秘。像是什么引发了通货膨胀,暗物质和暗能量是由什么组成的,这些都是目前用来解释我们现有数据的设备,但它们本身缺乏正确的解释。引力推动了对这些奥秘的探索,但如果需要更多的量子起源呢?有没有这种神秘粒子的迹象(Cosins 33)?

2015年,Attila Krasznahorkay和来自匈牙利科学院核研究所的团队研究了铍的一种不稳定同位素Be-8,并注意到它衰变为组成粒子的一些奇怪现象。这种模式暗示了一个“寿命较短、移动缓慢的粒子”,约为17兆电子伏,或约30个电子质量。粒子物理的标准模型没有预测到这一点,但它确实符合暗物质候选物质的标准。

具体来说,它可能是一个暗光子或暗物质中的载力粒子。阿提拉做了一个后续实验,但用氦原子核发现了同样的奇怪衰变,指向一个“畏光X玻色子”或位于奇怪的金凤花区的载力粒子作为一个有生命力的力量载体。也就是说,它既不够大也不够小,不适合标准模型的力载体理论。可能是什么?(同上)。

也许这是变色龙的力量,在地球上很难发现。它的质量会随着当地物质的密度而波动,因此很难看到。否则,我们会在所有这些专门实验之前注意到它。所以在局域尺度上,它必须很小,但在星系尺度上,它可以模仿暗能量的行为。但我们怎么能在这里测试这种东西呢?(33-4)

伯雷奇和他在伦敦帝国理工学院的团队进行了一项测试,试图消除给定区域内尽可能多的可能的力量,看看是否有奇怪的行为出现。在一个直径约1英尺的真空室中,在中心放置一个大理石大小的金属球,产生抵消力的效果。原子被扔到它上面,并检查它们是否表现出任何偏离已知理论的怪异行为,但没有结果。现在需要测试其他模型来解释神秘的玻色子(35)。

嘿,如果第五个力很容易被发现的话,现在不是已经被发现了吗?

引用作品

球,菲利普。“物理的第五种力量是悬在一根线上的。”鹦鹉螺.NautilisThink Inc., 2017年3月16日

安东尼,丹尼尔。"愿第五种力量与你同在"《新科学家》。New Scientist Ltd., 2020年5月16日。33-5打印。

莱斯特,拉菲。“驳斥'5'的物理学家th警队赢得三百万元的‘突破’奖。’生活科学网.未来美国公司,2020年9月12日。2021年1月22日。

©2021莱纳德·凯利

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