雖然物理學家沒有找到第五種基本作用力存在的直接證據，但最近的中子干涉實驗為這種力的強度設定了新的限制。
撰文 | 卡爾梅拉·帕達維奇-卡拉漢（Karmela Padavic-Callaghan）
翻譯 | 趙劍琳
物理學家已經達成了共識，世間萬物都是通過四種基本的力進行相互作用的。然而，這並沒有阻礙他們熱情地探尋尚不為人所知的第五種基本作用力。這種力的發現可能會解決當今物理學中那些最重要的懸而未決的問題——從暗能量的性質，到量子力學和廣義相對論之間看似不可調和的衝突。現在，美國國家標準與技術研究所（NIST）進行的一項實驗，為探尋第五種基本作用力可能的特性提供了新的線索。這項研究的成果發表於2021年9月的《科學》雜誌。
「關於『第五種力』的搜尋工作實際上是在人類所觀察到的全部尺度上進行的。」該研究的主要作者本傑明·希科克（Benjamin Heacock）說。由於不同理論預測出了特性各異的第五種力，物理學家正通過各種途徑——從對星系等天體的觀測，到定製的微觀儀器的微小運動——尋找第五種力產生的微妙影響。不過到目前為止，所有的搜索都一無所獲。在2021年獲得「科學突破獎」（Breakthrough Prize）的一項研究中，科研人員得出了結論，第五種力要麼比理論預測的弱得多，要麼根本就不存在。
NIST的實驗遵循着類似的想法，但使用了一種新的實驗技術。「我們的目標是在第五種力的強度限度上取得進展，為此實驗可以在任何尺度上進行。對我們來說，這恰好是在原子尺度上。」希科克說。在這樣的尺度上測量相關的相互作用是獨特的挑戰，即使是來自其他已知力（如電磁力）的最微弱的影響也能輕易地破壞精細的測量。NIST團隊準備用中子來解決這一問題，中子是一種電中性的粒子，通常存在於原子核中，它幾乎不會受到電磁效應的影響。
在實驗中，研究人員觀察的中子會穿過一種經過特殊加工的、近乎完美的硅晶體。在這個完美的晶體內部，硅原子按可預測的網格狀圖案排列，並通過NIST的特殊設施屏蔽掉了光、熱、振動和其他外部噪聲來源。
穿過網格的中子會與一些硅原子碰撞，並避開另一些硅原子。但由於中子是在原子尺度上飛行的，在量子力學的規則下，所有的粒子都表現得像波，它們與硅原子的碰撞就像海浪撞向散布着間隔均勻的大塊岩石的海岸。當一個中子撞上一個硅原子時，這種相互作用就會產生類似於中子波紋的東西。這一波紋與鄰近的硅原子附近產生的其他中子波紋疊加，形成波紋干涉的圖案，就像海灘岩石旁波濤洶湧的海面。
最重要的是，通過巧妙的實驗設計，研究人員能確保某些中子「波浪」在硅原子「岸」旁以一種非常特殊的方式疊加，從而形成所謂的「鐘擺」振盪（Pendellösung oscillation）。這種振盪大致與拍音類似——當兩種頻率差異很小的聲波同時播放時，低音量和高音量交替出現的聽覺效果。在新實驗中，當中子波撞上硅原子時，產生的難以探測的特殊波紋圖案就與這種現象類似。
研究團隊仔細分析了這些特殊的波紋，尋找有關硅「岩石」和撞擊它們的中子波的關鍵細節。這就好比要搞清楚海邊的每個波浪攜帶了多少水，是否有岩石在碰撞中移動。更重要的是，如果有原子尺度的第五種相互作用力在起作用，中子波干涉圖案的細節就能揭示出它的存在，就像海浪中的漣漪會沿着被淹沒的海堤邊緣移動一樣。儘管研究人員沒能發現第五種力存在的跡象，但他們為第五種力的強度確定了新的限度，其準確度是之前結果的10倍。
希科克指出，他的團隊已經對如何推進工作有了一些想法，例如使用鍺晶體而不是硅，鍺晶體中原子的結構排列與硅不同，可能對精確觀測中子干涉更為有利。另一個目標是正式地擴展現有的原子尺度精確測量目錄，以供所有正在搜尋第五力的物理學家在各自的研究中參考。希科克指出，理想情況下，這些新的測量研究會為未來更多的研究打開一扇大門。「我認為任何實驗都有局限性，但我們遠沒有觸碰到這個局限。」他說。
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