日前，美国费米实验室的科学家表示，他们可能将发现一种新的自然力。实验中，被称为缪子的亚原子粒子并没有按照当前亚原子物理理论的预测方式行动，科学家认为，这意味着一种未知的力量可能正在作用于缪子（μ子，一种亚原子粒子）。新自然力是否存在仍需要更多数据来确认这，但如果得到证实，这将标志着物理学领域的一场革命。

第五自然力

据BBC报道，位于芝加哥附近的费米实验室发布了一项新研究成果，这一成果是在在2021年宣布的结果的基础上得出的。根据费米实验室的高级科学家布伦丹·凯西（Brendan Casey）的说法，当时费米实验室的团队首次提出了“第五自然力（the Fifth Force）”的可能性。此后，费米实验室研究团队将收集更多数据，并将其测量不确定性减少了一倍。

据美国《天文学》杂志分析，日常经历的所有力都可以归结为四个基本类别：引力（gravitational force）、电磁相互作用力（electromagnetic force）、弱相互作用力（weak force）、强相互作用力（strong force）。这四种基本力量管理着宇宙中所有物体和粒子之间的相互作用。前两种力在日常生活中很容易被感知到。引力将我们固定在地球上，也让地球围绕太阳转动；电磁力驱动灯光工作。其他两种力量对我们来说不太明显，因为它们统治着微小尺度的相互作用。强核力将物质绑定在一起，而弱核力描述了原子的放射性衰变。

这四种力中的每一种都由一类粒子携带，物理学家称之为玻色子。光子是电磁力的传递粒子。胶子携带强核力。W和Z玻色子负责弱核力。甚至还有一种假设的引力玻色子，被称为引力子，尽管科学家尚未证明其存在。

据BBC报道，费米实验室的研究人员在一个名为“g-2”的实验中加速名为缪子的亚原子粒子，使它们在直径约15米的环上循环大约1000次，速度接近光速。研究人员发现，缪子的行为可能无法通过当前的理论——标准模型来解释，因此这被认为是缪子受到了一种新的自然力量影响。

标准模型是科学家寻找第五自然力的重要工具。目前已知的4种力的作用规律是可以由物理学界接受的标准模型来预测的。缪子类似于绕着原子轨道运动的电子，负责电流，但它们的质量约为电子的200倍。在实验中，强大的超导磁体使缪子发生摆动。如果缪子的运动偏离了标准模型的预测，则意味着可能存在“第五自然力”。

不过，虽然目前费米实验室发现的关于“第五自然力”的间接证据很有力，但团队尚未获得确凿的直接证据。

“第五自然力”起源

据科罗拉多大学物理学教授艾伦·弗兰克林（Allan Franklin）和普渡大学物理学教授弗莱姆·费什巴赫（Ephraim Fischbach）合著的《第五自然力的兴起与衰落（The Rise and Fall of the Fifth Force）》，对于“第五自然力”的探索起源于1975年实验物理学家对于重力理论的测试和证明。

直到1986年，在费什巴赫与美国华裔物理学家史蒂文·楚（Steven Chu）和罗伯特·H·迪克（Robert H. Dike）对于一种新的自然力的讨论被《纽约时报》以《物理学家对超越引力的“第五种力”理论提出质疑（Physicists Challenge Theory of a ‘Fifth Force’beyond Gravity）》为题报道，“第五种力”或称“第五自然力”才正式得名。

然而4年后，在1990年的莫里翁德研讨会上，许多研究“第五自然力”的科学家出席，美国物理联合会学者奥林·法克勒（Orrin Fackler）说：“第五种力已经死了。” 没有人反驳。当时没有证据表明，最初提出的这种力存在。一直到21世纪初，也没有实验能够成功验证“第五自然力”的存在。

据美国《天文学》杂志报道，近年来，这一领域进入主流公众视野的工作是匈牙利的一组研究人员进行的实验。他们称在实验中发现了一种新粒子“X17”，可以揭示了第五种自然力。在2019年底，他们的发现受到主流媒体的报道。然而，迄今为止，大多数科学家仍然持怀疑态度。

据BBC报道，随着费米实验室的成果发表，实验物理学家的目标在本质上已经发生了变化。费米实验室的研究人员认为，他们将在两年内获得所需的数据，并且理论上的不确定性将会在足够的程度上减小，以便他们达到目标。

竞争与革命

费米实验室表示，实验的下一组结果将是理论和实验之间的“终极对决”，可能会揭示新的粒子或力量。话虽如此，欧洲大型强子对撞机（LHC）的一个竞争团队希望率先取得成功。

伦敦帝国学院的迈特什·帕特尔（Mitesh Patel）博士是LHC的数千名物理学家之一。帕特尔正试图找到实验数据与标准模型不一致的地方。帕特尔告诉BBC新闻，首先发现与标准模型预测不符的实验结果将是物理学领域的重大突破之一。“测量与标准模型预测不符的行为是粒子物理学的圣杯。这将开启我们理解革命的序幕。这是因为这个模型已经经受了50多年的实验检验。”

据BBC报道，如果“第五自然力”的存在得到证实，这将是近百年自爱因斯坦的相对论理论以来最大的科学突破之一。因为“第五自然力”以及与之相关的任何粒子都不是粒子物理学标准模型的一部分。

这个领域研究人员知道，存在着他们所描述的“标准模型之外的物理学”，因为当前的理论无法解释天文学家在太空中观察到的许多现象。这些现象包括，宇宙大爆炸后，星系继续加速分离，而不是扩张减缓。科学家表示，这种加速是由一种名为暗能量的未知力量驱动的。

此外，根据目前科学家对星系中物质量的了解，星系的自转速度也比预期要快。研究人员认为这是由于称为暗物质的不可见粒子引起的，这也不是标准模型的一部分。

新闻来源：BBC、美国《天文学》杂志、《第五自然力的兴起与衰落》

iWeekly周末画报独家稿件，未经许可，请勿转载