尋找第五種力

石無魚

宇宙的演化是一幕驚心動(dòng)魄的連軸大戲。138億年前，隨著“砰”的一聲，幕布拉開了。隨后，一幕幕戲輪番上演：一顆顆恒星形成，又以超新星爆炸的形式化為灰燼;眾多相鄰的恒星組成一個(gè)大家庭——星系，星系又組成星系團(tuán);恒星坍塌成黑洞;黑洞張開永不饜足的大嘴，吞噬靠近它的一切;黑洞與黑洞又相互合并，在空間發(fā)出時(shí)空的漣漪……

但是，這幕宇宙大戲我們看得越久，越覺得它編排得草率粗糙，漏洞百出。有些地方情節(jié)太短;有些地方劇情跳躍;有的地方只留了個(gè)線索就中斷了;有些角色演得莫名其妙……總而言之，在這出戲里，總讓你覺得欠缺某種本該貫穿始終的東西。

宇宙學(xué)家也越來越明白，這樣?xùn)|西是什么。我們假設(shè)只有四種基本作用力在驅(qū)動(dòng)宇宙的演化，但理論和實(shí)驗(yàn)表明，基本作用力可能不止四種，而是有五種，六種，甚至更多。如果這一猜測(cè)得到證實(shí)，那絕對(duì)是一件了不起的大事。

莫名其妙的宇宙暴脹

基本作用力在驅(qū)動(dòng)著宇宙的演化。它們告訴各色“演員”——從粒子到行星——它們?cè)谟钪嫜莼@幕戲中扮演什么角色，如何動(dòng)作。我們知道的四種基本作用力是引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力。其中引力最孤僻，它是唯一不能用粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”來描述的一種力;然而偏偏是它，決定了宇宙的總體劇情發(fā)展。

宇宙演化故事中隱含的漏洞，從宇宙誕生那一刻起就開始了。現(xiàn)在從最大尺度來看，星系似乎分布得非常均勻;宇宙各處的溫度也非常均勻。可是，按照大爆炸理論，情況不應(yīng)該是這樣的。

為什么呢？我們需要先講點(diǎn)熱力學(xué)的知識(shí)。熱力學(xué)告訴我們，在一個(gè)空氣密度均勻的房間里，也并不是每一體積單元所包含的空氣分子數(shù)絕對(duì)相同;在某一刻，這一體積單元中分子數(shù)比平均值多幾個(gè)，那一體積單元中分子數(shù)比平均值少幾個(gè)，是很平常的事情。這叫漲落。一般來說，漲落的相對(duì)幅度是不變的。這意味著，密度越大，漲落的絕對(duì)幅度就越大。例如，假設(shè)漲落的相對(duì)幅度是0.001%，當(dāng)分子密度是10000個(gè)/立方米時(shí)，漲落只有1個(gè)/立方米;當(dāng)分子密度是1010個(gè)/立方米時(shí)，漲落就達(dá)10000個(gè)/立方米了。

似乎是暗物質(zhì)在維持著旋轉(zhuǎn)星系。

既然是漲落，有漲有落嘛，所以任何一處的漲落都是不能持久的。這一刻比平均密度多了，下一刻可能就少了。通過這種方式，物質(zhì)分布的均勻狀態(tài)得以保持。但這是一種動(dòng)態(tài)的平衡，其前提是，每個(gè)體積單元的物質(zhì)有充分的時(shí)間交換;倘若隔離開來，漲落可能就會(huì)永久保持。比如我們?cè)O(shè)想一個(gè)精靈，當(dāng)它一發(fā)現(xiàn)房間里某體積單元中分子數(shù)比平均值多了10個(gè)，就立刻把這塊空間隔離起來，那么從此以后，這塊空間的密度就永遠(yuǎn)比平均值多10個(gè)了。

為什么要說這些呢，因?yàn)榇蟊ɡ碚撟畛蹙陀龅竭@樣一個(gè)難題。早期宇宙物質(zhì)密度非常大，漲落的絕對(duì)值也勢(shì)必非常大，但另一方面，宇宙膨脹得又很快，各個(gè)區(qū)域的物質(zhì)還沒來得及充分交換就因空間膨脹而彼此隔離了。這樣一來，最初的漲落就被保留下來，而且漲落的絕對(duì)幅度是非常大的。這意味著，我們今天觀察到的宇宙應(yīng)該是相當(dāng)不均勻的，然而這跟事實(shí)不符。

為了解決這個(gè)問題，有人提出一種所謂的“暴脹假說”。該理論說，宇宙在誕生之后不久，在極短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷了一次暴脹：在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1秒的時(shí)間里，宇宙的半徑增大了至少1026倍。暴脹之后，宇宙又恢復(fù)了正常的膨脹。暴脹極大地稀釋了宇宙早期的物質(zhì)密度，使得隨后的密度漲落絕對(duì)值小了26個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣一來，就算之后各個(gè)區(qū)域的物質(zhì)相互隔離，各自演化，它們之間的差異也不至于太大。所以，我們今天觀察到的宇宙能如此均勻。

這個(gè)假說很漂亮，是不是？但我們不禁要問一句：宇宙為什么會(huì)神經(jīng)質(zhì)地暴脹呢？說實(shí)話，對(duì)這個(gè)問題誰也給不出滿意的答案，而且暴脹假說迄今也沒有得到任何觀測(cè)證據(jù)的支持。

至今還沒影兒的兩樣?xùn)|西

前面我們已經(jīng)談到了宇宙演化的第一個(gè)離奇劇情：暴脹。

第二個(gè)讓人困惑的問題是在20世紀(jì)80年代提出來的。我們知道，當(dāng)一個(gè)星系旋轉(zhuǎn)時(shí)，組成它的物質(zhì)也要跟著旋轉(zhuǎn)，假如沒有力拉著，旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)就會(huì)飛出去。引力在星系中就扮演了拉力的角色，它把星系的各個(gè)部分緊緊拽住。我們知道，引力是跟質(zhì)量成正比的，但天文學(xué)家觀察到，大多數(shù)星系中并沒有足夠多的可見物質(zhì)來產(chǎn)生足夠強(qiáng)的引力，來拉住星系邊緣的物質(zhì);不過，奇怪的是星系的邊緣居然也沒有解體。于是，宇宙學(xué)家提出，一定是一些額外的不可見物質(zhì)的引力維持住了星系。他們稱其為“暗物質(zhì)”。仔細(xì)一算，暗物質(zhì)竟然占了宇宙物質(zhì)總量的85%左右。但組成這種神秘物質(zhì)的粒子是什么，它有哪些性質(zhì)，我們至今都不知道。

第三個(gè)難題出在20世紀(jì)90年代末。當(dāng)時(shí)人們通過對(duì)遙遠(yuǎn)的超新星的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在加速。按理說，在宇宙的大尺度上，只有引力在起作用，而引力只會(huì)把物質(zhì)拽在一起，給宇宙膨脹“剎車”，所以隨著時(shí)間推移，宇宙膨脹應(yīng)該不斷減速才合常理。可是現(xiàn)在卻劇情大反轉(zhuǎn)，宇宙正在加速膨脹，你說多出人意料？于是，宇宙學(xué)家只好設(shè)想存在一種未知的能量，是它們?cè)诎抵信c引力較量，推動(dòng)宇宙加速膨脹。天文學(xué)家稱之為“暗能量”。經(jīng)過計(jì)算他們發(fā)現(xiàn)，暗能量在宇宙總的物質(zhì)-能量中，竟然又占大頭，比暗物質(zhì)的份額還大。

暗能量究竟是什么？物理學(xué)家不得不到量子物理學(xué)中找候選者。在量子物理學(xué)中，空無一物的真空也是有能量的;可以說，真空就像一個(gè)沸騰的海洋，各種粒子不時(shí)從中蹦出又消失。但是當(dāng)宇宙學(xué)家借助真空能來解釋暗能量時(shí)，他們卻發(fā)現(xiàn)，真空的能量太大了，比解釋宇宙加速膨脹所需要的暗能量，足足大了120個(gè)數(shù)量級(jí)。看來暗能量不可能是真空能。那它會(huì)是什么呢？宇宙學(xué)家對(duì)此一籌莫展。

引入新作用力的必要

這三個(gè)問題也許不是獨(dú)立的，也許有著同一個(gè)病根。有人認(rèn)為，病根就在于萬有引力上。他們懷疑，現(xiàn)有的描述引力的理論，不論是牛頓的引力定律還是愛因斯坦的廣義相對(duì)論，都是有缺陷的。有人試圖“修正”牛頓的萬有引力定律，讓引力跟距離的二點(diǎn)幾次方成反比。這樣引力就弱下來了，似乎不必借助暗能量就能解釋宇宙的加速膨脹，但這樣一來，在別的方面制造的問題比解決的還多。而迄今描述引力的最嚴(yán)格的理論——廣義相對(duì)論就更難動(dòng)搖了，因?yàn)樗ㄟ^了一次次檢驗(yàn)，包括最近對(duì)黑洞碰撞時(shí)產(chǎn)生的引力波的檢測(cè)。

我們學(xué)習(xí)寫作文，當(dāng)故事寫不下去時(shí)，老師就鼓勵(lì)我們?cè)诠适轮幸胄陆巧Ｍ瑯拥牡览恚?dāng)宇宙學(xué)家一籌莫展的時(shí)候，他們也開始考慮要不要在宇宙演化這幕大戲中引入新角色。這樣，第五種基本作用力就呼之欲出了。而且，確實(shí)有幾個(gè)跡象表明它可能存在。

讓我們先來看看，假如新的基本作用力存在，它應(yīng)該具備什么特征，這樣在找的時(shí)候才能有的放矢。

前面提到，除了引力，電磁力、弱核力和強(qiáng)核力都可以被粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”解釋。在“標(biāo)準(zhǔn)模型”里，它們都是可以被“量子化”的，就是說，它們都有對(duì)應(yīng)的傳遞作用力的玻色子（基本粒子家族按自旋可分成半整數(shù)和整數(shù)兩類。自旋為半整數(shù)的，稱為費(fèi)米子;自旋為整數(shù)的，稱為玻色子。費(fèi)米子構(gòu)成物質(zhì)，玻色子則傳遞相互作用力）。譬如，傳遞電磁力的是光子;傳遞弱核力的是W和Z玻色子;傳遞強(qiáng)核力的是膠子。這些粒子都是玻色子。

至于引力呢，目前還沒法用量子的語言來描述，因?yàn)槿藗冞€沒有將描述引力的廣義相對(duì)論與量子理論統(tǒng)一起來。不過，大多數(shù)物理學(xué)家相信，它們的“聯(lián)姻”是遲早的事。換句話說，引力最終也是可量子化的，也由相應(yīng)的玻色子來傳遞。這個(gè)假想中的粒子被稱為“引力子”。

遵循這個(gè)邏輯，任何第五種基本作用力都必須是量子化的，都應(yīng)該有對(duì)應(yīng)的玻色子。反之，我們要是發(fā)現(xiàn)了一種新的玻色子，就可以有把握地說，我們找到了一種新的基本作用力。

前面提到，我們引入新角色目的是想一攬子解決三個(gè)問題。不過對(duì)于暴脹來說，這是一個(gè)138億年前的一次性事件，不管肇事者是誰，它可能早就離開舞臺(tái)了，我們無從追躡。然而，當(dāng)談到另一個(gè)無法解釋的宇宙之謎——暗物質(zhì)和暗能量時(shí)，我們似乎有一些線索。

新的玻色子，新的作用力

這要追溯到2015年，當(dāng)時(shí)匈牙利一個(gè)研究小組注意到，不穩(wěn)定的同位素鈹-8核衰變時(shí)出現(xiàn)異常，似乎表明受到一個(gè)壽命更短、運(yùn)動(dòng)緩慢的粒子的干擾。它的質(zhì)量約為17MeV，是電子質(zhì)量的30倍多一點(diǎn)，但遠(yuǎn)小于大多數(shù)已知粒子的質(zhì)量。而且最重要的是，它看起來像一個(gè)玻色子。2019年底，該小組又報(bào)告在氦原子核衰變中出現(xiàn)類似的異常，暗示著存在一種新的玻色子，它以一種新的方式與原子核內(nèi)的中子在短距離內(nèi)相互作用。

由于玻色子的質(zhì)量跟它所傳遞的作用力的強(qiáng)度和作用力范圍直接相關(guān)，研究人員計(jì)算出，該粒子傳遞的作用力是非常弱的，如果將其設(shè)想成存在于暗物質(zhì)與普通物質(zhì)之間的相互作用力，似乎蠻合適。因?yàn)槲覀冎溃诎滴镔|(zhì)與普通物質(zhì)之間，除了引力，幾乎沒有其他作用;即使有作用，也是極其弱的。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)以及對(duì)它的解釋，引起極大的爭議。一般來說，物理學(xué)家們期待的傳遞作用力的新粒子，要么質(zhì)量非常重，傳遞的作用力距離非常短，以至于在目前人力所及的微觀尺度上還顯不出來（比如核力在宏觀世界就顯不出來）;要么質(zhì)量非常輕，傳遞的作用力非常弱，以至于在微觀領(lǐng)域可以忽略不計(jì)（像引力）;這樣，跟現(xiàn)有的理論才能協(xié)調(diào)一致。而現(xiàn)在預(yù)言中的新粒子，兩者都不是，它的質(zhì)量說輕不輕，說重不重。所以，這個(gè)解釋要說服人，還需要做更多的工作。當(dāng)然，最重要的是先確認(rèn)這個(gè)新粒子是否存在。目前意大利的一個(gè)小組正在做這類實(shí)驗(yàn)，預(yù)計(jì)2021年會(huì)公布結(jié)果。

尋找變色龍力

與此同時(shí)，另一個(gè)研究小組正在設(shè)想一種強(qiáng)度會(huì)隨著環(huán)境而改變的力，他們稱其為“變色龍力”。其思想是，傳遞變色龍力的粒子會(huì)根據(jù)周圍環(huán)境的物質(zhì)密度而改變其質(zhì)量，從而改變其強(qiáng)度和作用范圍（因?yàn)榱Ｗ淤|(zhì)量直接決定其強(qiáng)度和作用范圍）。在平均物質(zhì)密度較高的地方（例如在地球周圍），變色龍粒子質(zhì)量會(huì)更重，這意味著變色龍力在地球附近作用范圍較小（質(zhì)量大，作用范圍就小），因此難以被我們探測(cè)到。但變色龍粒子的質(zhì)量在星系之間空無一物的空間會(huì)小得多，在那里它會(huì)有更大的作用范圍——假如它恰好是斥力，就可以解釋宇宙為何加速膨脹。

也許你對(duì)粒子質(zhì)量會(huì)改變的想法感到奇怪。事實(shí)上，這類現(xiàn)象在物理學(xué)中并不鮮見。譬如，光從真空進(jìn)入介質(zhì)中傳播，速度會(huì)慢下來。對(duì)于這一現(xiàn)象，我們一般這樣解釋：靜止質(zhì)量為零的光子從真空進(jìn)入介質(zhì)后，在前進(jìn)途中遇到了介質(zhì)的阻力。但還有另一種解釋：光一直在真空中傳播，只是一開始靜止質(zhì)量為零，后來靜止質(zhì)量不為零了，所以速度慢下來。這兩種解釋是等效的：介質(zhì)阻力等效于光子靜止質(zhì)量的增加。所以，粒子在傳播途中改變質(zhì)量，在物理學(xué)上是允許的。

2018年，科學(xué)家進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示，宇宙中加入變色龍力之后，一樣能形成我們現(xiàn)在所看到的星系。現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是，看看宇宙在有變色龍力和沒有變色龍力（只有引力）這兩種情況下，其長期演化的結(jié)果中有沒有什么細(xì)微差別，如果有細(xì)微差別，就可以通過下一代望遠(yuǎn)鏡來驗(yàn)證。

暗能量抵消了引力作用，使宇宙加速膨脹。

不過，有的人已經(jīng)等不及了，他們希望通過實(shí)驗(yàn)直接來尋找變色龍力。

2018年，英國的一個(gè)小組在地下實(shí)驗(yàn)室開展了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。他們制作了一個(gè)保齡球大小的真空腔，中心有一個(gè)玻璃彈子大小的金屬球。根據(jù)設(shè)想，假如存在變色龍力，它在金屬球體和腔壁附近強(qiáng)度會(huì)大些（因?yàn)楦浇奈镔|(zhì)密度大），而在兩者之間變色龍力的強(qiáng)度會(huì)減弱（因?yàn)槭钦婵眨Q句話說，變色龍力的力場(chǎng)是變化的。這樣一來，假如在真空腔內(nèi)以一個(gè)微小的初速度扔進(jìn)一個(gè)原子，它在運(yùn)動(dòng)過程中就會(huì)加速或減速，觀察它的運(yùn)動(dòng)，就能暴露變色龍力的存在。當(dāng)然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的精度要求非常高。

這個(gè)小組2019年報(bào)告了結(jié)果。他們沒有發(fā)現(xiàn)變色龍力存在的跡象，但理論家們不甘心，還在設(shè)想變色龍力“變色”的其他可能性。

這方面的工作最近幾年事實(shí)上很熱門，上面舉的只是其中的兩例。

現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展有一個(gè)趨勢(shì)，即物理學(xué)家總希望把所有力統(tǒng)一起來——愛因斯坦后半輩子主要就做這件事情。他們認(rèn)為，只要把四種作用力統(tǒng)一起來，物理學(xué)的“大廈”就竣工了。但暗物質(zhì)和暗能量的出現(xiàn)打破了他們的美夢(mèng)，使他們意識(shí)到：我們現(xiàn)已擁有的四種基本作用力，只能解釋普通物質(zhì)，而普通物質(zhì)似乎只占宇宙物質(zhì)-能量的5%;即便大統(tǒng)一的夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)了，物理學(xué)“大廈”也遠(yuǎn)未竣工。還有很多重要的事情等著物理學(xué)家們?nèi)ジ桑剿餍碌幕咀饔昧Γ褪瞧渲幸患饬x重大的事情。

希格斯場(chǎng)不僅賦予各種粒子質(zhì)量，本身也是一種基本作用力場(chǎng)。

拓展閱讀

基本作用力家族四兄弟

電磁力：解釋原子為什么結(jié)合在一起以及一切與光有關(guān)的現(xiàn)象

描述它的理論：量子電動(dòng)力學(xué)（QED）

傳遞它的粒子：光子（由1905年愛因斯坦預(yù)言）

作用范圍：無限

弱核力：導(dǎo)致放射性β衰變和點(diǎn)燃恒星核聚變的原因

描述它的理論：弱電理論（在高能情況下與QED統(tǒng)一的理論）

傳遞它的粒子：W和Z玻色子（1968年預(yù)言，1983年發(fā)現(xiàn)）

作用范圍：10-18米量級(jí)

強(qiáng)核力：使質(zhì)子和中子在原子核內(nèi)結(jié)合在一起

描述它的理論：量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）

傳遞它的粒子：膠子（1962年預(yù)言，1979年發(fā)現(xiàn)）

作用范圍：10-15米量級(jí)

引力：使星系保持在一起，行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)

描述它的理論：廣義相對(duì)論

傳遞它的粒子：如果引力場(chǎng)是可量子化的，那就應(yīng)該存在引力子

作用范圍：無限

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ?什么是力？什么是基本作用力？

拿著這本雜志，或者向下滑動(dòng)你手機(jī)的屏幕，你都在施加一種力：兩個(gè)物體通過接觸產(chǎn)生的相互作用，也就是所謂的“接觸力”。這些作用力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律來描述。

但基本作用力是一種相當(dāng)不同的東西：即使不接觸，物體之間也存在這種作用。當(dāng)牛頓在萬有引力定律中第一次提出這種“遠(yuǎn)距離作用”時(shí)，他也感到十分困惑：不接觸的物體怎么能有相互作用呢？

現(xiàn)在，我們搞明白了，這一切都要?dú)w因于充滿空間的場(chǎng)的作用。在現(xiàn)代物理學(xué)中，場(chǎng)是一個(gè)比力更基本的概念。

什么是場(chǎng)呢？通俗地說，它們是兩個(gè)物體之間的媒介。就我們目前所知的四種基本作用力中的三種（電磁力、強(qiáng)核力、弱核力），它們是伴隨著被稱為“玻色子”的粒子而來的量子場(chǎng)。這些粒子在兩個(gè)物體之間拋來拋去，于是作用力就產(chǎn)生了。

奇怪的是引力場(chǎng)。根據(jù)廣義相對(duì)論，引力是質(zhì)量扭曲時(shí)空的產(chǎn)物。引力場(chǎng)在任何一點(diǎn)上的強(qiáng)度，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)有質(zhì)量的物體使其周圍時(shí)空彎曲的程度。

在任何情況下，把基本作用力和普通力區(qū)分開來的是，看它能不能最終被還原為另一種力或場(chǎng)。例如，摩擦力和空氣阻力最終可以被還原為電磁力，所以它們就不是基本作用力。

拓展閱讀

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 第五種基本作用力已經(jīng)有啦，只是……

當(dāng)正文中談到第五種基本作用力八字還沒有一撇的時(shí)候，物理學(xué)家完全有理由反駁：我們事實(shí)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)啦。

2012年，物理學(xué)家在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。它對(duì)應(yīng)的希格斯場(chǎng)，以賦予所有其他粒子質(zhì)量而聞名。但是希格斯場(chǎng)不僅僅是一個(gè)質(zhì)量給予者，它也是另一種基本作用力場(chǎng)，從理論上說，它有資格躋身基本作用力的家族中。

然而，你很少聽到物理學(xué)家把它當(dāng)作第五種基本作用力。原因是，希格斯子的質(zhì)量太大了，希格斯場(chǎng)的作用范圍小到幾乎無法探測(cè)的地步，所以你要是固執(zhí)地認(rèn)定，“眼見為實(shí)”，只有看到它對(duì)物體的作用之后方能肯定它的存在，那么我們只好承認(rèn)，它確實(shí)還沒有被發(fā)現(xiàn)。