物理学的第五种力量是悬在一根线上的

H关于那个！伽利略先生的发现是正确的。”结论并不基于你所看到的最谨慎的实验，但它是最壮观的方式之一 - 因为它是在月球上进行的。

1971年，阿波罗15号宇航员大卫·斯科特从同一高度扔下一根羽毛和一把锤子，发现它们同时撞击月球表面。重力引起的加速度并不取决于物体的质量或组成，正如伽利略在比萨斜塔上的实验（可能是虚构的）所断言的那样。

还是这样做？跳转期待的头版标题纽约时报1986年1月:“5^th《宇宙中的力量》挑战了伽利略的发现。”该报在《首要物理杂志》的一篇论文中报道物理评论快报由物理学家以法莲菲兹奇巴赫及其同事，描述了由于重力引起的加速度根据有问题的物体的化学成分而变化。重力，它似乎不是我们认为的那样是：它的影响是由什么改进的纽约时报记者约翰·诺布尔·威尔福德(John Noble Wilford)在我们已知的四种基本力量之外，命名为“第五种力量”。

超过30年后，许多实验都力求验证这一推测的第五种力。然而，尽管他们非凡的准确性，没有一个人找到令人信服的证据表明它。但是，这种搜索显示没有出现减弱的迹象。即使在过去的一年新的诱人的暗示，这样的力量存在已经从核物理实验出现，挑起新的炒作和兴奋。

悬而未决的是现代物理学的一些基本原理。一些物理学家认为，通过扩展和统一当前的基本理论，第五种力量是允许的，甚至是需要的。另一些人希望这样一种力量能够揭示神秘的暗物质，它似乎比宇宙中所有的普通物质都重要。尔湾加利福尼亚大学的物理学家Jonathan Feng说，如果它存在，这意味着我们统一已知力量的尝试还为时过早，因为现在也将有第五个统一。

W.在没有充分证据的情况下，为什么要推测另一种自然的基本力量呢?甚至在伽利略的时代，人们也很欣赏这个理论最初的动机:有两种思考质量的方式。一种来自惯性:一个物体的质量是其运动的“阻力”，它的质量越大，阻力越大。另一个来自万有引力:根据艾萨克·牛顿的万有引力定律，两个物体之间的万有引力，比如苹果和地球，与它们的质量除以它们之间距离的平方的乘积成正比。这个力使下落的苹果加速。当且仅当，质量的两种定义相同，重力加速度不依赖于被加速的质量。

但它们是一样的吗？如果它们不是，那么不同的群众将以不同的速率落在重力下。在伽利略前，大规模应该“跌幅更快”的直观观点。荷兰自然哲学家西蒙斯·斯蒂文被认为从1586年左右的钟楼上掉了钟楼，发现他们到达地面的时间没有可检测的差异。Newton自己通过测量不同质量但相同长度的垂直性的垂直的垂直而在1680左右测试了这个想法 - 因为如果引力加速度是大众无关的，那么它们应该。1832年，他的研究德国科学家Friedrich Wilhelm Bessel更准确地重复。他们都没有发现任何可检测的差异。

重力可能是正常的，但可能有一种新的，第五种力，使它看起来不同。

惯性和引力质量的想法是相同的，称为弱等价原则。当爱因斯坦在1912-16左右制定了他的一般相对论理论时，它成为一个重要的问题，这依赖于重力引起的加速度与在自由空间中相同的力的物体加速相同。如果这不是真的，则一般相对论不起作用。

“等价原则是普通相对论的基本假设之一，”斯蒂芬斯施洛克林格说，在马里兰州盖瑟斯堡国家标准和技术研究所的麦加工作。“因此，应该彻底测试。等效原则的测试相对便宜，简单，但如果发现违规行为可能会产生巨大影响。它不会粗心执行这些实验。“

如果弱等价原则失败，那么有两种可能性。无论是牛顿对两个肿块之间的重力力的表达（这也是一般相对论预测，如果重力不是极端）略有准确，需要调整。或者重力可能很好，因为它掌握 - 但可能有一个新的第五力量，使它看起来不同。第五部队将增加到我们已经知道存在的四个力量：重力，电磁，以及控制原子核内亚杀菌颗粒相互作用的强大和弱的核力量。无论是考虑“改进的重力”或第五力量就是，Fischbach说，最终只是一个语义的区别。

无论哪种方式，冯说，有“无缘无故，绝不是我们直到现在没有注意到的第五部队。”

B.YINSTEIN将他的新的引力理论钉在一起，弱等价原则已经经历了一些非常严格的测试。在19世纪末，一位名叫BaronLorándEőtvōs的匈牙利贵族，在布达佩斯大学工作，实现了它可以通过在微妙的平衡中放置两个群众来测试它。

Eőtvős使用了一种叫做扭力天平的仪器。他把两个物体系在一根用线悬挂着的水平杆的两端。如果物体有相同的重量——相同的重力质量——那么杆子就水平平衡。但由于地球自转，这些物体也会受到离心力的作用，离心力取决于物体的惯性质量。如果惯性质量和重力质量相等，所有的力都处于平衡状态，杆保持静止。但如果它们不同，那么由于地球的自转，质量就会偏离水平方向。

如果两个质量经历了不同的“摆动”——一种可能是由于弱等效原理的偏差取决于组成——那么杆将经历一个净扭转力(扭矩)，它将旋转。即使这种旋转非常微小，也可以通过测量附在杆子上的镜子的光束偏转来探测到。

现在，事实是，重力在地球上的每个地方都有轻微的变化。这是因为行星不是一个平滑的均匀球体。岩石的密度不同，所以施加的引力也略有不同。在Eőtvős实验的精确度下，即使是附近大学建筑的存在也会影响实验结果。消除这些局部变化的一种方法是对摇晃的杆子的两个不同方向进行测量，比如东西方向和南北方向。两者都应该经历相同的局部重力效应，但离心力会有所不同——因此，弱等效的任何偏差都会在两个测量值之间显示出扭矩的差异。这种方法符合设置平衡实验的一般策略差异在两个测试群或配置之间的引力加速度：这样，您不需要担心当地效果或您可以如何准确地测量绝对力量。

然而，当地扰动可能会随着时间的变化而变化：即使是通过的卡车也可以引起微小的引力障碍。因此，研究人员必须注意排除这些事情。事实上，即使是观察实验者的存在可能很重要。因此，随着余额休息，匈牙利科学家将远离休息，然后在实验室中划分到实验室，以便在有时间调整到他们的存在（其扭转期为缓慢40分钟）。

Eőtvős建立了一个修改后的扭转平衡，是精密工程的杰作。在悬挂杆的一端是标准铂质量，而其他材料的样品悬浮于另一端。杆安装在一个脚架上，可以枢转以改变其取向。连接到运动部件的望远镜和镜子可以显示是否发生了杆的任何旋转。环境温度的微小不平衡可以诱导设备的翘曲，导致杂散的旋转，因此整个组件被包裹在密封的绝缘室中。为了使实验更加精致，研究人员后来在一个变暗的封闭房间里进行了它们，因此没有光可能会产生温度变化。更重要的是，它们将设备放入与海藻隔离的双帐篷内。

1889年，匈牙利的研究人员开始了他们的扭转平衡实验，当时他们发现，由于几种不同物质的质量偏离了惯性质量当量，无法探测到旋转，其精度为2000万分之一。

因此，到19世纪末，似乎没有理由怀疑弱等价原则。但就在那时，新的原因开始出现。首先，放射性的发现表明原子内部存在未知的能量来源。更重要的是，爱因斯坦的狭义相对论为物质和质量提供了一个新的视角。质量似乎可以转化为能量，而且它对速度很敏感，当物体的速度接近光速时，它就会增加。考虑到这一切，1906年，德国皇家科学学会Göttingen为更敏感的“惯性和引力等效性”测试提供了4500马克的奖励，并引用Eőtvős的“实验作为灵感”。

菲施巴赫似乎开始发现了一些不存在的东西。

Eőtvős自己也忍不住要回到这场斗争中来。“他是这类实验的世界专家，”费施巴赫说。他和他的学生德兹·佩克和布达佩斯的珍妮费克特掸去了他们的扭转平衡实验，花了数千个小时来测试不同的材料：铜、水、石棉、稠密木材等等。他们在1909年提交了他们的发现，声称精度提高了2亿分之一。但直到1922年，也就是Eőtvős去世三年之后，这项工作的完整报告才出版。他的另一位学生，János Renner，继续这项工作，并于1935年以匈牙利语出版，声称要验证弱等价原则，使之适用于20-50亿分之一的部分。

原来是这样的灵敏度真的有可能回来呢？物理学家罗伯特·迪克，在广义相对论的专家，当他来到应对20世纪60年代同样的问题表示怀疑。不管迪克的批评是否有效，他和他的同事使用了100个十亿实现一个的精度更复杂的扭力天平。他们这样做，通过测量地球引力造成的不是他们的测试群众的加速，而是由太阳的。这意味着没有必要通过旋转扰乱平衡：引力作为地球移动围绕太阳本身旋转方向。从弱等价的任何偏差应该出现了作为每24小时在不同步骤与地球旋转​​的信号，给人一种精确的方式这和假信号之间判别由于局部重力变化或其它干扰。迪克和他的同事们没有看到这种偏差的迹象：没有迹象表明重力的牛顿定律需要用第五种力修改。

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F在1975年听证着他的Purdue同事罗伯托科拉和同事的实验后，伊斯坦巴赫对第五次武力感兴趣，这看起来看着牛顿重力对亚基颗粒的影响。Fischbach wondered whether it would be possible to conduct similar experiments with subatomic particles in a situation where the gravity is strong enough to make general relativity, rather than Newton’s theory, the proper description of gravity—that might then offer a completely new way of testing Einstein’s theory.

他开始考虑使用一种叫做“介子”的奇异粒子和它们的反物质兄弟“反介子”来做这件事，这种粒子是在粒子加速器中产生的。在芝加哥附近的费米实验室的加速器上分析了对k介子的研究，使费施巴赫怀疑某种新的力可能正在影响粒子的行为，而这种力对重子数很敏感B.．

这是基本粒子的一种特性，与质量或能量不同，它没有任何日常意义。它相当于构成原子核的质子和中子的更基本的夸克和反夸克的简单算术总和。但问题是:如果这种新的力取决于重子数，那么它应该取决于物质的化学组成，因为不同的化学元素有不同的质子和中子数。更准确地说，它取决于B.到组成原子的质量。因为原子质量是由质子和中子的总和决定的，所以这个比例看起来很天真。但实际上，所有这些成分的总质量中有一小部分转化为使它们结合在一起的能量，这一能量因原子而异。所以每个元素都是唯一的B./质量比。

一种依赖于组成的力量……嗯，这不正是Eőtvős一直在寻找的吗?费施巴赫决定回去仔细研究匈牙利男爵的成果。1985年秋天，他和他的学生卡里克·塔尔梅奇计算出B./ Eőtvős和他的学生的样本中物质的质量比。他们的发现让他们大吃一惊。

匈牙利研究小组发现，不同物质的重力加速度测量存在非常小的偏差，但显然没有任何规律，这表明这些只是随机误差。但当菲施巴赫和塔尔梅奇策划这些偏离B./质量比，它们看到了一条直线关系，暗示了一种诱导质量之间非常小的排斥力的力，削弱了他们的引力吸引力。

Eőtvős’样本的化学成分并不总是容易推断的——对于蛇木和板油，谁能确定呢?但在他们看来，这种关系是建立起来的。在一个最引人注目的例子中，铂和硫酸铜晶体被证明具有相同的偏差。关于这两种物质的一切(密度等等)都是不同的——除了它们几乎相同B./质量比。

菲施巴赫和塔尔梅奇呈现在他们的引人注目的1986年纸这些调查结果，由博士后彼得·巴克，其命令德国的使他翻译的EOTVOS的团队原来的1922年报告的帮助。普渡大学小组的论文被迪克，谁讲有些疑惑，但最终认为应该发表评论。迪克后随访与纸声称在EOTVOS测量中的异常可通过温度梯度在装置进行说明。这是很难，不过，看到这样的日常环境的影响将如何最终产生这样一个数量的异国情调的重子数令人信服的前瞻性的相关性。

一旦这个词出来了，世界来电 - 不仅仅是纽约时报还有传奇人物理查德·费曼，他在论文发表四天后打电话到费施巴赫家，起初以为是恶作剧。费曼不为所动，他对费施巴赫和洛杉矶时报．但对于他来说，表现出兴趣表明了普渡大学团队的挑衅结果如何引起了人们的议论。

C欧洲论文认为，我们的论文本质上存在新的力量，“写下Fischbach，”这似乎令人惊讶的是，参考过程如此顺利。“但也许这条道路通过了已经存在可能存在第五次力量的理论和实验原因，这是一个事实。

回到1955年，中国 - 美国物理学家T.D. Lee和C.N.两年后分享了诺贝尔奖的杨，探讨了依赖于Baryon Number的新力量的想法，甚至使用了eőtvős的工作来设置它可能的强度。李在纸张发表后一周后遇到了Fischbach，并祝贺他。

更重要的是，在20世纪70年代末，澳大利亚的两位地球物理学家弗兰克·斯泰西和加里·塔克在一个深矿井中精确测量了牛顿引力方程中把力和质量联系起来的引力常数。他们报告的数值与之前在实验室中测量的数值有显著不同。解释这些结果的一种方法是调用一个新的力作用在几公里的距离上。斯泰西和塔克的测量在一定程度上受到了日本物理学家藤井泰则(Yasunori Fujii)在20世纪70年代早期关于“非牛顿引力”可能性的研究的启发。

这是简单的物理方式一直工作：当一切都失败了，你将在黑板上一个新的作品，看看它是如何移动。

1986年以后的追捕开始了。如果第五力作用的确在几十到上千米的距离，应该可以从什么牛顿引力预测约自由落体高地球表面上方检测偏差。在20世纪80年代后期的团队在贝德福德，马萨诸塞州汉斯科姆的美国空军实验室，测定重力加速度了在北卡罗莱纳州600米的电视塔和报道什么似乎是实际上是一个“六力证据,” for in contrast to Fischbach’s repulsive fifth force it seemed to enhance gravity. After subsequent analysis, however, these claims evaporated.

最广泛的研究是在西雅图的华盛顿大学(University of Washington)由一组物理学家进行的，他们根据正确的匈牙利发音“Eőtvős”(与“Ert-wash”相近)，称自己为“奥特-wash小组”(Eot-Wash group)。他们由核物理学家埃里克·阿德尔伯格(Eric Adelberger)共同领导，据费施巴赫(Fischbach)说，阿德尔伯格“目前已成为世界上寻找偏离牛顿引力预测的主要实验家”。Eot-Wash团队使用了最先进的扭力天平，采取了各种预防措施来消除测量结果中的人为因素。结果:没有。

1986年公告公布后不久，纽约布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的彼得·蒂耶伯格(Peter Thieberger)开始了一项最能引起人们回忆和启发的实验。他把一个空心的铜球放在水箱里，放在悬崖边上。1987年，Thieberger报告说，球体始终沿着边缘的方向移动，在那里，周围岩石的引力较小——正如你所预期的，如果确实存在某种排斥力抵消重力的话。这是发表在著名物理学杂志上的第五种力的唯一确证证据。为什么只有它看到了这样的事情?这仍然是个谜。“尚不清楚Thieberger的实验是否出了什么问题，”Fischbach写道。

到1988年菲施巴赫计数不少于45个实验搜索第五力。然而，五年后只Thieberger的已经产生的任何迹象。在一次谈话，以纪念1986年纸的十周年，菲施巴赫承认，“有一个在从牛顿引力的预测，任何偏离目前还没有令人信服的实验证据......现有的实验数据的优势是任何新的存在不兼容中间范围或长范围的力“。

就像费施巴赫悲哀地说的那样，他似乎发现了某种不存在的东西。当时在耶鲁大学(Yale University)的物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)捕捉到了这种情绪物理评论快报声称在他的1638本书中报告了一个欺骗性的论文对Gallero对Galls下坡的加速的实验进行了分析，并在他的1638本书中报道两个新科学的论述，并有一个“第三种力量”（除引力和电磁力）发现的证据。该文件被以同样的精神杂志拒绝，因为它被提交：六个恶搞裁判的基础上，报告清楚地写在房子里。

一种几十年来，几乎所有人都没有发现第五种力量，你可能认为游戏结束了。但是，如果说有什么不同的话，那么，随着物理学家寻求扩大他们的科学基础，相信第五种力量的理由变得越来越有吸引力和多样化。“现在有数千篇论文提出了新的基本相互作用，这可能是第五种力量的来源，”费施巴赫说。“理论上的动机是压倒性的。”

例如，最新的理论试图将物理学扩展到“标准模型”之外，“标准模型”解释了所有已知的粒子及其相互作用，在试图揭示现实的下一层时，提出了几种新的相互作用的可能性。其中一些理论预测，新的粒子可能充当先前未知力的“载体”，就像已知的电磁、强力和弱力与“力粒子”(如光子)相关一样。

一组模型预测从牛顿引力偏差称为Modified牛顿动力学（MOND）也已提出以说明星系的恒星运动的一些方面的，否则通常通过与普通调用一个假想的“暗物质”是交互解释没关系只（或者几乎唯一）通过引力。没有明确的证据被发现支持MOND理论，但一些物理学家发现他们越来越希望作为暗物质粒子广泛的搜索没有取得迹象。

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另外，冯说，第五种力量可能会帮助我们发现暗物质本身。据我们所知，暗物质只通过引力与其他物质相互作用。但如果它也能感受到第五种力，冯说，“它可以提供一个‘入口’，通过它我们最终可以与暗物质以一种非纯粹引力的方式相互作用，因此我们可以理解暗物质是什么。”

更重要的是，一些理论在我们熟悉的三维空间之外提出了额外的维度，比如目前最受欢迎的弦理论版本，预测可能有类似但比重力大得多的力作用于毫米或更短的距离。

这就是一些研究人员正在研究的规模。这意味着要非常精确地测量由非常小的间隙隔开的小质量之间的力。三年前，Fischbach和他的同事着手研究相隔仅为40到8000万分之一毫米的微小粒子。这种测量的困难在于，在这么近的物体之间已经存在一种引力，叫做卡西米尔力。这和所谓的范德华力有相同的起源，范德华力作用在更接近的地方，并弱地把分子粘在一起。这些力来自于物体中电子云的同步晃动，由于电子的电荷而产生静电引力。卡西米尔力基本上就是范德华力，当物体之间的距离足够远(超过几纳米)，电子波动穿过间隙到物质之间的时间延迟。

Fischbach和他的同事发现了一种抑制卡西米尔力的方法，使其通过用一层金涂覆其测试质量而越来越弱了一百万次。它们将镀金的蓝宝石珠附着约150千分之一的半径到固体板，其运动可以通过电子方式检测。然后，它们旋转着用珠子下方的金色和硅斑块图案化的微观盘。如果金色和硅施加的力存在任何差异，那么应该产生珠子的振动。他们没有看到这种影响，这意味着它们可以对这些微观尺度的材料依赖性第五力的可能强度进行更严格的限制。

扭转平衡测量也可以在该区域中使用。东京大学宇宙雷研究院研究人员使用该装置寻找由第五次力量引起的标准卡西米尔力的偏差。他们所发现的只是更严格的下限，就这种力量有多强。

除了直接探测到第五种力外，它还可能以菲施巴赫最初设想的方式发现它:通过基本粒子的高能碰撞。2015年，匈牙利德布雷森核研究所(Institute for Nuclear Research)的一个由阿提拉·克拉斯纳霍伊(Attila Krasznahorkay)领导的团队报告了一件意想不到的事情:一种不稳定形式的铍原子，通过向锂箔发射质子而形成，通过发射电子对及其反物质对应的正电子而衰变。从样本中射出的电子-正电子对的数量增加了，射出角度约为140度，这是标准核物理理论无法解释的。

这些结果几乎都被忽略了，直到冯和他的同事去年提出，他们可以用一种新的“力粒子”的短暂形成来解释，这种“力粒子”随后迅速衰变为一个电子和一个正电子。换句话说，这个假设的粒子将携带第五个力，其射程非常短，只有几万亿分之一毫米。

尽管还没有被其他研究人员复制，匈牙利的发现看起来相当可靠。冯说，它们只是随机统计波动的可能性很小，大约是1000亿分之一。“不仅如此，这些数据完美地符合它们是由一种新粒子引起的假设，”他说。“如果这样一种新粒子存在，它就会以这种方式被发现。”施lamminger同意冯对匈牙利观测的解释是“2016年发生的令人兴奋的事情之一”。

“我们还没有证实这是一种新的粒子，”冯承认，“但如果这是真的，那将是革命性的——至少40年来粒子物理学的最大发现。”他的理论工作预测，假定的新粒子仅比电子重33倍。如果是这样，应该不难在粒子碰撞中产生，但却很难看到。“这是非常微弱的相互作用，我们已经证明它可以避开所有以前的实验，”冯说。他补充说，也许可以通过设在日内瓦的CERN粒子物理中心的大型强子对撞机等对撞机来寻找。

那么，关于第五种力的假设是完全不成立的。事实上这是公平地说,任何观察基础物理和宇宙学,不能解释为我们当前论粒子物理学的标准模型或广义相对论都容易获得物理学家谈论新的力量或新类型的物质,例如暗物质和暗能量。这就是物理的工作方式:当所有其他方法都失败时，你在棋盘上放一个新的棋子，看看它如何移动。当然，我们还没有看到任何令人信服的证据来证明第五种力的存在，但我们也没有看到暗物质、超对称或额外维度的直接迹象，而且我们也没有寻找。我们已经排除了第五军可能驻守的大部分地区，但仍有很多地区处于阴影之下。

无论如何，搜寻仍在继续。2016年4月，欧洲航天局发射了一颗名为“显微镜”(Microscope)的法国卫星，旨在以前所未有的精确度测试太空中的弱等效原理。它将在自由落体中放置两对嵌套的金属圆柱体:一对由同样重的铂铑合金制成，另一对由更轻的钛钒铝制成的外圆柱体。如果圆柱体下降的速度与物质的含量有很小的关系，以致于与弱等效原理的偏差在千万亿分之一的水平上发生，大约比目前在地球上的实验中探测到的小100倍——用卫星上的电子传感器测量差异应该是可能的。

管理“显微镜”项目的法国航空航天研究中心(ONERA)的科学家Joel Bergé说:“弦理论模型预测WEP违反率低于10万亿分之一。”他说，这项任务的科学操作始于去年11月，第一个结果将于今年夏天公布。

尽管有这样的高科技研究，菲施巴赫一直回到Eőtvős扭力平衡实验。当时，匈牙利人没有理论动机去期待一个依赖于成分的第五种力量——没有任何东西可以在他们难以置信的精细工作中潜意识地影响他们。Fischbach说:“无论我们需要什么来解释他们的数据在当时根本没有也不可能在概念上存在。”然而，他们似乎确实看到了一些东西——不是随机分散的结果，而是系统性的偏离。Fischbach说:“我一直在想，也许我错过了他们所做的一些事情。”“这仍然是个谜。”

菲利普球是一位位于伦敦的作家。他的最新书是《水之王国:中国秘史》。