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第五种力马上被发现?停滞100年的物理学,难道是要有新突破了?

2024-06-30科学

神秘的第五种力

2016年,一个来自匈牙利的科学小组在实验中发现,当用高强度的质子束击打锂-7靶时,锂-7会转变为铍-8,并释放出正负电子对。然而,记录到的电子对数量超出了预期,这一现象无法通过传统的粒子物理学来解释。

科学家们提出,可能存在一种新的粒子,其质量约为电子的32.7倍,或质子质量的2%,这可能是导致这种异常现象的原因。美国加州大学尔湾分校(UCI)的研究团队进一步分析了匈牙利科学家的数据,并发现这种新粒子仅与电子和中子发生作用,且作用力非常微弱,作用范围也非常有限,这可能是长期被科学家寻找的第五种力。

第五种力被认为是揭开宇宙之谜的关键,宇宙的发展历程是人类多年来一直未能解开的谜团,从超新星的爆炸到恒星、星系、星系团、黑洞的形成……物理学家创造了许多神秘的物理术语来描述这些宇宙现象。

然而,这些解释往往不够完善,我们对宇宙的理解越深,就越感觉到其中的粗糙和漏洞。许多情节过于简略,某些部分的剧情跳跃,缺乏一个贯穿始终的基础理论,即一个能够解释所有这些现象的基础理论。而现代物理学将这种基础理论归结为四种基本作用力:

牛顿揭示了引力,解释了天体与地面的宏观物理现象;麦克斯韦提出电磁力,统一了电与磁的现象;爱因斯坦将时间与空间、能量与质量统一起来,提出了弱核力和强核力。

尽管有这四种基本作用力,但它们仍未能解释所有问题,例如物理学目前最关注的暗物质和暗能量问题。暗物质是指在大多数星系中,其引力似乎不足以维持自身的稳定,但星系却未因此分崩离析,科学家认为这是因为存在一种额外的看不见的物质——暗物质,它约占宇宙总质量的85%。

暗能量则是从对遥远超新星的观测中发现的一种现象,即宇宙的膨胀速度在加速。按理说,宇宙中的引力应该使物质聚集在一起,宇宙的膨胀速度应该会逐渐放缓,但实际观测结果却是膨胀在加速。科学家因此推测,存在一种未知的能量,在幕后抵抗引力,推动宇宙的加速膨胀,计算结果显示,暗能量在宇宙的总物质能量中的占比甚至超过了暗物质。

匈牙利科学家发现的这种新粒子不符合传统物理学的「标准模型」,这很可能标志着一个全新的未知领域的开启,为暗物质和暗能量的研究提供了新的线索。目前,全球的科学家们都在对这一发现进行进一步的分析和研究,一旦有所突破,将有助于解锁宇宙的演化之谜,推动物理学的进步,为人类社会的发展开启新的可能性。

其他四种基础力分别为:

引力,广义相对论的研究对象,描述的是物体之间的吸引力,是维持宇宙星系、行星绕太阳运动的力量,它是四种力中最弱的。深入研究引力不仅有助于理解自然界的重要法则,还能推动相关基础学科和技术的发展,意义重大。

电磁力,由量子电动力学来解释,它解释了原子之间的结合和光的本质,传递粒子是光子,其作用力范围无限远。电荷可以产生磁场,反之亦然,在能源研究、通信技术、电子技术、材料科学等领域都有重要应用。

强核力,又称为强相互作用力,由量子色动力学描述,解释了原子核内质子和中子如何结合在一起,传递粒子是胶子,作用范围极短,仅在10-15米量级。强核力的研究不仅关系到核能的开发,还涉及到原子弹等军事技术。

最后是弱核力,也称为弱相互作用力,它是导致放射性β衰变和恒星核聚变的根本原因,传递粒子是W和Z玻色子,作用范围更短,只有10-18米。虽然弱核力在微观尺度上非常重要,但在日常生活中的直接影响较小。然而,在医学诊断等领域,通过放射性技术的使用,弱核力的作用仍然不容忽视。

基本作用力是物体之间即使不接触也能产生作用的力,区分基本作用力和普通力的标准是看其是否能被还原为其他力。例如,常见的摩擦力和空气阻力可以被还原为电磁力,因此不属于基本作用力。

中国在第五种力的探寻方面也表现出不容忽视的科研实力。美国凭借其独特的历史背景、优选的移民政策和优厚的待遇,吸引了大量的科研人才,保持着在全球技术科研领域的领先地位,是世界第一的科技强国。相比之下,中国的物理学发展虽然起步较晚,但已取得显著成就。2022年,中国科学技术大学杜江峰院士团队联合南京大学黄璞教授、何建华副教授等研究人员,对变色龙理论进行了实验检验,未发现该理论预言的「第五种力」,首次实现了对暗能量理论的确定性实验检验,从而排除了变色龙理论作为暗能量的可能性。

研究团队利用抗磁悬浮力学系统构建了一个超高灵敏度的探测平台,实现了亚毫米尺度的精确检测,大大提高了对第五种力的探测效率,将变色龙作用力的理论预言上限限制在了6×10-17牛顿,从而完成了对变色龙理论的检验。

爱因斯坦晚年也意识到四大作用力并非完美无缺,因此致力于研究将这四种力完美融合的大一统理论。尽管如此,至今还没有人能够真正实现这一理论。即使将现有的四种力完美统一,也只能解释构成宇宙的普通物质,而普通物质仅占宇宙总质量的5%左右,暗物质和暗能量仍是遥不可及的谜团。物理学面临的挑战依然重重,而探索新的基础作用力可能是解决这些难题的关键。