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第五種力馬上被發現?停滯100年的物理學,難道是要有新突破了?

2024-06-30科學

神秘的第五種力

2016年,一個來自匈牙利的科學小組在實驗中發現,當用高強度的質子束擊打鋰-7靶時,鋰-7會轉變為鈹-8,並釋放出正負電子對。然而,記錄到的電子對數量超出了預期,這一現象無法透過傳統的粒子物理學來解釋。

科學家們提出,可能存在一種新的粒子,其品質約為電子的32.7倍,或質子品質的2%,這可能是導致這種異常現象的原因。美國加州大學爾灣分校(UCI)的研究團隊進一步分析了匈牙利科學家的數據,並行現這種新粒子僅與電子和中子發生作用,且作用力非常微弱,作用範圍也非常有限,這可能是長期被科學家尋找的第五種力。

第五種力被認為是揭開宇宙之謎的關鍵,宇宙的發展歷程是人類多年來一直未能解開的謎團,從超新星的爆炸到恒星、星系、星系團、黑洞的形成……物理學家創造了許多神秘的物理術語來描述這些宇宙現象。

然而,這些解釋往往不夠完善,我們對宇宙的理解越深,就越感覺到其中的粗糙和漏洞。許多情節過於簡略,某些部份的劇情跳躍,缺乏一個貫穿始終的基礎理論,即一個能夠解釋所有這些現象的基礎理論。而現代物理學將這種基礎理論歸結為四種基本作用力:

牛頓揭示了重力,解釋了天體與地面的宏觀物理現象;馬克士威提出電磁力,統一了電與磁的現象;愛因史坦將時間與空間、能量與品質統一起來,提出了弱核力和強核力。

盡管有這四種基本作用力,但它們仍未能解釋所有問題,例如物理學目前最關註的暗物質和暗能量問題。暗物質是指在大多數星系中,其重力似乎不足以維持自身的穩定,但星系卻未因此分崩離析,科學家認為這是因為存在一種額外的看不見的物質——暗物質,它約占宇宙總品質的85%。

暗能量則是從對遙遠超新星的觀測中發現的一種現象,即宇宙的膨脹速度在加速。按理說,宇宙中的重力應該使物質聚集在一起,宇宙的膨脹速度應該會逐漸放緩,但實際觀測結果卻是膨脹在加速。科學家因此推測,存在一種未知的能量,在幕後抵抗重力,推動宇宙的加速膨脹,計算結果顯示,暗能量在宇宙的總物質能量中的占比甚至超過了暗物質。

匈牙利科學家發現的這種新粒子不符合傳統物理學的「標準模型」,這很可能標誌著一個全新的未知領域的開啟,為暗物質和暗能量的研究提供了新的線索。目前,全球的科學家們都在對這一發現進行進一步的分析和研究,一旦有所突破,將有助於解鎖宇宙的演化之謎,推動物理學的進步,為人類社會的發展開啟新的可能性。

其他四種基礎力分別為:

重力,廣義相對論的研究物件,描述的是物體之間的吸重力,是維持宇宙星系、行星繞太陽運動的力量,它是四種力中最弱的。深入研究重力不僅有助於理解自然界的重要法則,還能推動相關基礎學科和技術的發展,意義重大。

電磁力,由量子電動力學來解釋,它解釋了原子之間的結合和光的本質,傳遞粒子是光子,其作用力範圍無限遠。電荷可以產生磁場,反之亦然,在能源研究、通訊技術、電子技術、材料科學等領域都有重要套用。

強核力,又稱為強交互作用力,由量子色動力學描述,解釋了原子核內質子和中子如何結合在一起,傳遞粒子是膠子,作用範圍極短,僅在10-15公尺量級。強核力的研究不僅關系到核能的開發,還涉及到原子彈等軍事技術。

最後是弱核力,也稱為弱交互作用力,它是導致放射性β衰變和恒星核融合的根本原因,傳遞粒子是W和Z玻色子,作用範圍更短,只有10-18公尺。雖然弱核力在微觀尺度上非常重要,但在日常生活中的直接影響較小。然而,在醫學診斷等領域,透過放射性技術的使用,弱核力的作用仍然不容忽視。

基本作用力是物體之間即使不接觸也能產生作用的力,區分基本作用力和普通力的標準是看其是否能被還原為其他力。例如,常見的摩擦力和空氣阻力可以被還原為電磁力,因此不屬於基本作用力。

中國在第五種力的探尋方面也表現出不容忽視的科研實力。美國憑借其獨特的歷史背景、優選的移民政策和優厚的待遇,吸引了大量的科研人才,保持著在全球技術科研領域的領先地位,是世界第一的科技強國。相比之下,中國的物理學發展雖然起步較晚,但已取得顯著成就。2022年,中國科學技術大學杜江峰院士團隊聯合南京大學黃璞教授、何建華副教授等研究人員,對變色龍理論進行了實驗檢驗,未發現該理論預言的「第五種力」,首次實作了對暗能量理論的確定性實驗檢驗,從而排除了變色龍理論作為暗能量的可能性。

研究團隊利用抗磁懸浮力學系統構建了一個超高靈敏度的探測平台,實作了亞公釐尺度的精確檢測,大大提高了對第五種力的探測效率,將變色龍作用力的理論預言上限限制在了6×10-17牛頓,從而完成了對變色龍理論的檢驗。

愛因史坦晚年也意識到四大作用力並非完美無缺,因此致力於研究將這四種力完美融合的大一統理論。盡管如此,至今還沒有人能夠真正實作這一理論。即使將現有的四種力完美統一,也只能解釋構成宇宙的普通物質,而普通物質僅占宇宙總品質的5%左右,暗物質和暗能量仍是遙不可及的謎團。物理學面臨的挑戰依然重重,而探索新的基礎作用力可能是解決這些難題的關鍵。