Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В физике существует четыре наблюдаемых фундаментальных взаимодействия (также известных как фундаментальные силы), которые составляют основу всех известных взаимодействий в природе: гравитационное , электромагнитное , сильное ядерное и слабое ядерное взаимодействие . Некоторые умозрительные теории предложили пятую силу для объяснения различных аномальных наблюдений, которые не соответствуют существующим теориям. Характеристики этой пятой силы зависят от выдвигаемой гипотезы. Многие постулируют силу, примерно равную силе гравитации ( т. Е. Она намного слабее электромагнетизма или ядерных сил.) с диапазоном от менее миллиметра до космологического масштаба. Другое предложение - новая слабая сила, опосредованная бозонами W 'и Z' .

Поиск пятой силы увеличился в последние десятилетия благодаря двум открытиям в космологии, которые не объясняются текущими теориями. Было обнаружено, что большая часть массы Вселенной приходится на неизвестную форму материи, называемую темной материей . Большинство физиков полагают, что темная материя состоит из новых, неоткрытых субатомных частиц [1], но некоторые полагают, что это может быть связано с неизвестной фундаментальной силой. Во-вторых, недавно было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется, что было приписано форме энергии, называемой темной энергией . Некоторые физики предполагают, что форма темной энергии, называемая квинтэссенциейможет быть пятая сила. [2] [3] [4]

Экспериментальные подходы [ править ]

Новую фундаментальную силу может быть трудно проверить. Например, гравитация - это настолько слабая сила, что гравитационное взаимодействие между двумя объектами имеет значение только тогда, когда один из них имеет большую массу. Следовательно, требуется очень чувствительное оборудование для измерения гравитационного взаимодействия между объектами, которые малы по сравнению с Землей. Новая (или «пятая») фундаментальная сила также может быть слабой, и поэтому ее трудно обнаружить. Тем не менее, в конце 1980-х годов исследователи (Fischbach et al. ) [5] , которые повторно анализировали результаты Лоранда Этвёша, полученные ранее в этом столетии , сообщили о пятой силе, действующей в муниципальных масштабах (то есть с дальностью около 100 метров). . Считалось, что эта сила связана с гиперзарядом.. В течение ряда лет другие эксперименты не смогли повторить этот результат. [6]

Существует по крайней мере три вида поиска, которые могут быть предприняты, в зависимости от вида рассматриваемой силы и ее диапазона.

Принцип эквивалентности [ править ]

Один из способов поиска пятой силы - проверка строгого принципа эквивалентности : это одна из самых мощных проверок теории гравитации Эйнштейна: общая теория относительности . Альтернативные теории гравитации, такие как теория Бранса-Дике , имеют пятую силу - возможно, с бесконечным диапазоном действия. Это связано с тем, что гравитационные взаимодействия в теориях, отличных от общей теории относительности, имеют степени свободы, отличные от «метрики» , которая определяет кривизну пространства, а разные виды степеней свободы производят разные эффекты. Например, скалярное поле не может производить искривление световых лучей .

Пятая сила проявится в воздействии на орбиты солнечной системы, которое называется эффектом Нордтведта . Это проверено с помощью эксперимента Lunar Laser Ranging [7] и интерферометрии с очень длинной базой .

Дополнительные размеры [ править ]

Другой вид пятой силы, который возникает в теории Калуцы-Клейна , где Вселенная имеет дополнительные измерения , или в супергравитации или теории струн, - это сила Юкавы , которая передается легким скалярным полем (то есть скалярным полем с длинной комптоновской длиной волны , определяющий диапазон). Это вызвало большой интерес в последнее время, поскольку теория суперсимметричных больших дополнительных измерений - измерений с размером чуть меньше миллиметра - побудила экспериментальную попытку проверить гравитацию на этих очень малых масштабах. Это требует чрезвычайно чувствительных экспериментов, которые ищут отклонение от закона обратных квадратов.силы тяжести на разных расстояниях. [8] По сути, они ищут признаки того, что взаимодействие Юкавы на определенном этапе набирает обороты.

Австралийские исследователи, пытаясь измерить гравитационную постоянную глубоко в шахте, обнаружили расхождение между прогнозируемым и измеренным значением, при этом измеренное значение было на два процента меньше. Они пришли к выводу, что результаты можно объяснить пятой силой отталкивания с диапазоном от нескольких сантиметров до километра. Подобные эксперименты проводились на борту подводной лодки USS Dolphin (AGSS-555) , находящейся на большой глубине. Дальнейший эксперимент по измерению гравитационной постоянной в глубокой скважине в ледниковом щите Гренландии обнаружил расхождения в несколько процентов, но не удалось устранить геологический источник наблюдаемого сигнала. [9] [10]

Мантия Земли [ править ]

Другой эксперимент использует мантию Земли в качестве детектора гигантских частиц, фокусируясь на геоэлектронах . [11]

Цефеид переменные [ править ]

Jain et al. (2012) [12] исследовали существующие данные о скорости пульсации более тысячи переменных звезд цефеид в 25 галактиках. Теория предполагает, что частота пульсации цефеид в галактиках, экранированных от гипотетической пятой силы соседними скоплениями, будет следовать другой схеме, чем цефеиды, которые не экранированы. Они не смогли найти никаких отклонений от теории гравитации Эйнштейна.

Другие подходы [ править ]

В некоторых экспериментах использовалось озеро и башня, Высота 320 м . [13] Всесторонний обзор Эфраима Фишбаха и Каррика Талмаджа показал, что не существует убедительных доказательств существования пятой силы [14], хотя ученые все еще ищут ее. Статья Фишбаха-Талмаджа была написана в 1992 году, и с тех пор появились другие свидетельства, которые могут указывать на пятую силу. [15]

Вышеупомянутые эксперименты ищут пятую силу, которая, как и гравитация, не зависит от состава объекта, поэтому все объекты испытывают силу пропорционально своей массе. Силы, зависящие от состава объекта, могут быть очень тонко проверены с помощью экспериментов с торсионными весами , типа изобретенных Лорандом Этвешем . Такие силы могут зависеть, например, от отношения протонов к нейтронам в атомном ядре, ядерного спина [16] или относительного количества различных видов энергии связи в ядре (см. Полуэмпирическую формулу массы ). Поиски проводились от очень коротких до муниципальных масштабов и до масштаба Земли., Солнце и темная материя в центре галактики.

Измененная гравитация [ править ]

Также известен как нелокальная гравитация . Некоторые физики считают, что теорию гравитации Эйнштейна придется модифицировать - не в малых масштабах, а на больших расстояниях или, что эквивалентно, при малых ускорениях. [17] [18] [19] Это изменит силу гравитации на нелокальную. [ Править ] Они указывают на то , что темная материя и энергия темной необъяснимы в стандартной модели в физике элементарных частиц и предположить , что некоторые модификации тяжести необходимо, возможно , вытекающих из модифицированных ньютоновской динамики или голографического принципа. Это фундаментально отличается от традиционных представлений о пятой силе, поскольку она усиливается по сравнению с гравитацией на больших расстояниях. Большинство физиков [ кто? ] однако думают, что темная материя и темная энергия не являются специальными , но подтверждаются большим количеством дополнительных наблюдений и описываются очень простой моделью.

Возможные доказательства [ править ]

Основная статья: X17 частица

В 2015 году Аттила Краснахоркай из ATOMKI , Института ядерных исследований Венгерской академии наук в Дебрецене , Венгрия, и его коллеги заявили о существовании нового легкого бозона (17 МэВ), который всего в 34 раза тяжелее электрона. [20] Пытаясь найти темный фотон , венгерская команда выпустила протоны по тонким мишеням из лития-7, в результате чего образовались нестабильные ядра бериллия-8, которые затем распались и выплюнули пары электронов и позитронов. Избыточные распады наблюдались при угле раскрытия 140 ° между e + и e -и суммарная энергия 17 МэВ, что указывает на то, что небольшая часть бериллия-8 будет выделять избыточную энергию в виде новой частицы.

Джонатан Фенг и др. (2016) [21] предположили, что протофобный (т.е. «игнорирующий протоны») X-бозон с массой 16,7 МэВ с подавленными взаимодействиями с протонами относительно нейтронов и электронов и диапазона фемтометра может объяснить данные. Эта сила может объяснить аномалию мюонов g −2 и предоставить кандидата в темную материю. В настоящее время проводится несколько исследовательских экспериментов, чтобы попытаться подтвердить или опровергнуть эти результаты. [20] [22]

В ноябре 2019 года Краснахоркай объявил, что он и его команда в ATOMKI успешно наблюдали те же аномалии в распаде стабильных атомов гелия, которые наблюдались в бериллии-8, что усиливает аргументы в пользу существования частицы X17. Об этом сообщалось через научную журналистику , в которой основное внимание уделялось последствиям существования частицы X17 и соответствующей пятой силы в поисках темной материи. В беседе с The Independent Краснахоркай сказал, что «если существование частицы будет подтверждено, это означает, что физикам придется, наконец, переоценить взаимодействие существующих четырех фундаментальных сил физики элементарных частиц и освободить место для пятой». [23]

Группа ATOMKI утверждала, что обнаружила различные другие новые частицы ранее в 2016 году, но отказалась от этих заявлений позже, без объяснения причин появления ложных сигналов. Группу также обвинили в подборе результатов, которые поддерживают новые частицы, но при этом отбрасывают нулевые результаты . [24] [25]

См. Также [ править ]

  • Аффинная калибровочная теория
  • Сложная система  - система, состоящая из множества взаимодействующих компонентов.
  • Темная энергия  - неизвестное в космологии свойство, которое вызывает ускорение расширения Вселенной.
  • Расширение Вселенной , также известное как метрическое расширение пространства - увеличение расстояния между частями Вселенной с течением времени.
  • Фундаментальное взаимодействие  - любое физическое взаимодействие или силы: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное.
  • Гравифотон
  • Модифицированная динамика Ньютона  - Гипотеза, предлагающая модификацию законов Ньютона
  • Физика за пределами Стандартной модели  - теории, пытающиеся объяснить недостатки Стандартной модели, квантовой теории поля и общей теории относительности.
  • Квинтэссенция (физика)
  • Самоорганизация  - процесс создания порядка посредством локальных взаимодействий.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Чаун, Marcus (17 августа 2011). «Действительно темная материя: Вселенная состоит из дыр?» . Новый ученый . Практически все думают, что эта так называемая темная материя состоит из еще не открытых субатомных частиц.
  2. ^ Wetterich, C. "Квинтэссенция - пятая сила от изменения фундаментальной шкалы" (PDF) . Гейдельбергский университет.
  3. ^ "[название не указано]" (PDF) . ЦЕРН .
  4. ^ Чиколи, Микеле; Педро, Франсиско Дж .; Тасинато, Джанмассимо (2012). «Природная квинтэссенция теории струн». Журнал космологии и физики астрономических частиц . 2012 (7): 044. arXiv : 1203.6655 . Bibcode : 2012JCAP ... 07..044C . DOI : 10.1088 / 1475-7516 / 2012/07/044 . S2CID 118461474 . 
  5. ^ Фишбах, Ефрем; Сударский, Даниил; Шафер, Аарон; Талмадж, Каррик; Аронсон, Ш. (6 января 1986 г.). «Повторный анализ эксперимента Этвёша». Письма с физическим обзором . 56 (1): 3–6. Bibcode : 1986PhRvL..56 .... 3F . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.56.3 . PMID 10032514 . 
  6. ^ "Группа Eöt-Wash" . Вашингтонский университет. - ведущая группа ищет пятую силу.
  7. ^ "Лунный лазерный дальномер" . Архивировано из оригинального 28 ноября 2016 года . Проверено 7 мая 2005 года .
  8. ^ "Спутниковая энергетическая биржа (SEE)" . Архивировано из оригинала 7 мая 2005 года . Проверено 7 мая 2005 года ., который настроен на проверку пятой силы в космосе, где можно достичь большей чувствительности.
  9. ^ Андер, Марк Э .; и другие. (27 февраля 1989 г.). «Проверка закона обратных квадратов Ньютона в ледяной шапке Гренландии». Письма с физическим обзором . 62 (9): 985–988. Bibcode : 1989PhRvL..62..985A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.62.985 . PMID 10040395 . 
  10. ^ Zumberge, Mark A .; и другие. (1990). «Гренландский эксперимент с гравитационной постоянной» . Журнал геофизических исследований (Представленная рукопись). 95 (B10): 15483. Bibcode : 1990JGR .... 9515483Z . DOI : 10.1029 / JB095iB10p15483 .
  11. ^ Арон, Джейкоб (2013). «Мантия Земли помогает охотиться за пятой силой природы» . Новый ученый .
  12. ^ Джайн, Бхувнеш; Викрам, Вину; Сакштейн, Джереми (25 ноября 2013 г.). «Астрофизические тесты модифицированной гравитации: Ограничения от индикаторов расстояния в ближайшей Вселенной». Астрофизический журнал . 779 (1): 39. arXiv : 1204.6044 . Bibcode : 2013ApJ ... 779 ... 39J . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 779/1/39 . S2CID 119260435 . 39. 
  13. ^ Лю, И-Чэн; Ян, Синь-Шэ; Чжу, Хэн-Бинь; Чжоу Вэнь-Ху; Ван, Цянь-Шэнь; Чжао, Чжи-Цян; Цзян, Вэй-Вэй; У, Чуань-Чжэнь (сентябрь 1992 г.). «Проверка неньютоновской гравитации на 320-метровой башне». Физика Буквы A . 169 (3): 131–133. Bibcode : 1992PhLA..169..131L . DOI : 10.1016 / 0375-9601 (92) 90582-7 .
  14. ^ Фишбах, Ефрем; Талмадж, Каррик (19 марта 1992 г.). «Шесть лет пятой силы». Природа . 356 (6366): 207–215. Bibcode : 1992Natur.356..207F . DOI : 10.1038 / 356207a0 . S2CID 21255315 . 
  15. ^ Jenkins, Jere H .; Фишбах, Ефрем; Банчер, Джон Б.; Грюнвальд, Джон Т .; Краузе, Деннис Э .; Мэттс, Джошуа Дж. (Август 2009 г.). «Доказательства корреляции между скоростью распада ядер и расстоянием Земля – Солнце». Физика астрономических частиц . 32 (1): 42–46. arXiv : 0808.3283 . Bibcode : 2009APh .... 32 ... 42J . DOI : 10.1016 / j.astropartphys.2009.05.004 . S2CID 119113836 . 
  16. ^ Холл, AM; Armbruster, H .; Fischbach, E .; Талмадж, К. (1991). «Чувствителен ли эксперимент Этвеша к вращению?». В Хванге W.-Y. Паучи; и другие. (ред.). Успехи физики высоких энергий . Нью-Йорк: Эльзевир. С. 325–339.
  17. ^ Додельсон, S .; Парк, С. (2014). «Нелокальная гравитация и структура во Вселенной». Physical Review D . 90 (4): 043535. arXiv : 1310.4329 . Bibcode : 2014PhRvD..90d3535D . DOI : 10.1103 / PhysRevD.90.043535 . S2CID 119251409 . 
  18. ^ Жаккар, Маджоре (2013). «Нелокальная теория массивной гравитации». Physical Review D . 88 (4): 044033. arXiv : 1305.3034 . Bibcode : 2013PhRvD..88d4033J . CiteSeerX 10.1.1.742.8873 . DOI : 10.1103 / PhysRevD.88.044033 . S2CID 118416243 .  
  19. ^ Mashhoon, Бахрам (2011). «Нелокальная гравитация». arXiv : 1101.3752 [ gr-qc ].
  20. ^ a b Картлидж, Эдвин (2016). «Обнаружила ли венгерская физическая лаборатория пятую силу природы?» . Природа . DOI : 10.1038 / nature.2016.19957 . S2CID 124347962 . 
  21. ^ "Новое заявление о бозонах подвергается тщательной проверке" . Журнал Quanta . Проверено 24 ноября 2019 .
  22. ^ Feng, JL; и другие. (2016). «Протофобная интерпретация пятой силы наблюдаемой аномалии в ядерных переходах 8 Be» . Письма с физическим обзором . 117 (7): 071803. arXiv : 1604.07411 . Bibcode : 2016PhRvL.117g1803F . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.117.071803 . PMID 27563952 . S2CID 206279817 .  
  23. ^ «Ученые, возможно, открыли пятую силу природы, - сообщает лаборатория» . Независимый . Великобритания . Проверено 26 ноября 2019 года .
  24. ^ Wolchover, Натали (7 июня 2016). «Доказательства« пятой силы »подвергаются тщательной проверке - лаборатория в Венгрии сообщила об аномалии, которая может привести к революции в физике. Но даже по мере того, как нарастает волнение, более тщательное изучение раскрывает тревожную предысторию» . Журнал Quanta . Проверено 20 ноября 2019 года .
  25. Рианна Сигел, Итан (26 ноября 2019 г.). «Вот почему частицы« X17 »и новая пятая сила, вероятно, не существуют» . Forbes . Проверено 28 ноября 2019 .