Пятая сила

Спекулятивная пятая фундаментальная сила

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 спекулятивные теории предложили пятую силу для объяснения различных аномальных наблюдений, которые не вписываются в существующие теории. 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 космологических масштабов. Другое предложение — это новое слабое взаимодействие, опосредованное бозонами W′ и Z′ . Некоторые физики предполагают, что форма темной энергии, называемая квинтэссенцией, может быть пятой силой.

История

Термин «пятая сила» появился в статье Фишбаха и др. 1986 года, где они повторно проанализировали данные эксперимента Лоранда Этвеша , проведенного в начале века; повторный анализ обнаружил зависимость силы тяжести от расстояния, которая отклоняется от закона обратных квадратов . ^{[1] [2] : 57} Повторный анализ был инициирован теоретической работой Фудзии 1971 года ^{[3] [4] : 3} , предложившего модель, которая изменяет зависимость от расстояния с помощью члена, подобного потенциалу Юкавы :

${\displaystyle V(r)=-G_{\infty }{\frac {m_{i}m_{j}}{r_{ij}}}(1+\alpha e^{-r/\lambda })}$

Параметр характеризует силу и диапазон взаимодействия. ^[2] В статье Фишбаха была найдена сила около 1% от силы тяжести и диапазон в несколько сотен метров. ^{[5] : 26} Эффект этого потенциала можно эквивалентно описать как обмен векторными и/или скалярными бозонами, что является предсказанием пока еще не обнаруженных новых частиц. ^[2] Однако многие последующие попытки воспроизвести отклонения потерпели неудачу. ^[6] ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \lambda }$

Теория

Теоретические предложения о пятой силе обусловлены несоответствиями между существующими моделями общей теории относительности и квантовой теории поля , а также между проблемой иерархии и проблемой космологической постоянной . Обе проблемы предполагают возможность поправок к гравитационному потенциалу вокруг . ^{[2] : 58} ${\displaystyle 100\mu {\text{m}}}$

Ускоряющееся расширение Вселенной приписывается форме энергии, называемой темной энергией . Некоторые физики предполагают, что форма темной энергии, называемая квинтэссенцией, может быть пятой силой. ^{[7] [8] [9]}

Экспериментальные подходы

Существует по крайней мере три вида поиска, которые можно осуществить в зависимости от вида рассматриваемой силы и ее диапазона.

Принцип эквивалентности

Один из способов поиска пятой силы — это проверка сильного принципа эквивалентности , одного из самых мощных тестов общей теории относительности , также известной как теория гравитации Эйнштейна. Альтернативные теории гравитации, такие как теория Бранса–Дикке , постулируют пятую силу  —  возможно, с бесконечным диапазоном. Это связано с тем, что гравитационные взаимодействия в теориях, отличных от общей теории относительности, имеют степени свободы, отличные от «метрики» , которая диктует кривизну пространства, и различные виды степеней свободы производят различные эффекты. Например, скалярное поле не может вызывать искривление световых лучей .

Пятая сила проявится в эффекте на орбитах солнечной системы, называемом эффектом Нордтведта . Это проверено с помощью эксперимента по лазерной локации Луны ^[10] и интерферометрии со сверхдлинной базой .

Дополнительные размеры

Другой вид пятой силы, которая возникает в теории Калуцы-Клейна , где Вселенная имеет дополнительные измерения , или в супергравитации или теории струн, — это сила Юкавы , которая передается световым скалярным полем (то есть скалярным полем с большой длиной волны Комптона , которая определяет диапазон). Это вызвало недавний интерес, поскольку теория суперсимметричных больших дополнительных измерений  —  измерений с размером чуть меньше миллиметра —  побудила экспериментальные усилия по проверке гравитации в очень малых масштабах. Это требует чрезвычайно чувствительных экспериментов, которые ищут отклонение от закона обратных квадратов гравитации в диапазоне расстояний. ^[11] По сути, они ищут признаки того, что взаимодействие Юкавы включается на определенной длине.

Австралийские исследователи, пытаясь измерить гравитационную постоянную глубоко в шахте, обнаружили расхождение между прогнозируемым и измеренным значением, причем измеренное значение было на два процента меньше. Они пришли к выводу, что результаты могут быть объяснены отталкивающей пятой силой с диапазоном от нескольких сантиметров до километра. Аналогичные эксперименты были проведены на борту подводной лодки USS Dolphin (AGSS-555) во время глубокого погружения. Дальнейший эксперимент по измерению гравитационной постоянной в глубокой скважине в ледяном щите Гренландии обнаружил расхождения в несколько процентов, но не удалось исключить геологический источник наблюдаемого сигнала. ^{[12] [13]}

мантия Земли

В другом эксперименте мантия Земли используется как гигантский детектор частиц, фокусирующийся на геоэлектронах. ^[14]

Переменные цефеиды

Джейн и др. (2012) ^[15] изучили существующие данные о скорости пульсации более тысячи переменных звезд цефеид в 25 галактиках. Теория предполагает, что скорость 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

В некоторых экспериментах использовалось озеро и башня, которая320 метров в высоту. ^[16] Всесторонний обзор Эфраима Фишбаха и Каррика Талмаджа показал, что нет убедительных доказательств существования пятой силы, ^[17] хотя ученые все еще ищут ее. Статья Фишбаха-Талмаджа была написана в 1992 году, и с тех пор появились другие доказательства, которые могут указывать на существование пятой силы. ^[18]

Вышеуказанные эксперименты ищут пятую силу, которая, как и гравитация, не зависит от состава объекта, поэтому все объекты испытывают силу пропорционально их массе. Силы, которые зависят от состава объекта, могут быть очень чувствительно проверены экспериментами с крутильными весами типа, изобретенного Лорандом Этвешем . Такие силы могут зависеть, например, от соотношения протонов и нейтронов в атомном ядре, ядерного спина ^[19] или относительного количества различных видов энергии связи в ядре (см. полуэмпирическую формулу массы ). Поиски проводились от очень коротких диапазонов до муниципальных масштабов, до масштабов Земли , Солнца и темной материи в центре галактики.

Заявления о новых частицах

В 2015 году Аттила Краснахоркай из ATOMKI , Института ядерных исследований Венгерской академии наук в Дебрецене , Венгрия, и его коллеги предположили существование нового легкого бозона, который всего в 34 раза тяжелее электрона (17 МэВ). ^[20] В попытке найти темный фотон венгерская команда обстреляла протонами тонкие мишени из лития-7 , что создало нестабильные ядра бериллия-8 , которые затем распались и вытолкнули пары электронов и позитронов. Избыточные распады наблюдались при угле раскрытия 140° между e ⁺ и e ⁻ , а общая энергия составила 17 МэВ, что указывало на то, что небольшая часть бериллия-8 будет сбрасывать избыточную энергию в форме новой частицы.

В ноябре 2019 года Краснахоркай объявил, что он и его команда в ATOMKI успешно наблюдали те же аномалии в распаде стабильных атомов гелия, которые были обнаружены в бериллии-8, что подкрепило аргументы в пользу существования частицы X17 . ^[21]

Фэн и др . (2016) ^[22] предположили, что протофобный (т.е. «игнорирующий протоны») X-бозон с массой 16,7 МэВ с подавленными связями с протонами относительно нейтронов и электронов и фемтометровым диапазоном может объяснить данные. ^[23] Сила может объяснить аномалию мюона g − 2 и предоставить кандидата на темную материю. В настоящее время проводится несколько исследовательских экспериментов, чтобы попытаться подтвердить или опровергнуть эти результаты. ^{[20] [22]}

Смотрите также

• Аффинная калибровочная теория  – Калибровочная теория с аффинными связями
• Сложная система  – система, состоящая из множества взаимодействующих компонентов.
• Гравифотон  – гипотетическая частица в теориях гравитации
• Модифицированная ньютоновская динамика  – Гипотеза, предлагающая модификацию законов Ньютона.
• Физика за пределами Стандартной модели  – Теории, пытающиеся расширить известную физику
• Самоорганизация  – процесс создания порядка посредством локальных взаимодействий.

Ссылки

1. Фишбах, Эфраим; Сударский, Даниэль; Шафер, Аарон; Талмадж, Каррик; Аронсон, SH (6 января 1986 г.). «Повторный анализ эксперимента Этвёша». Physical Review Letters . 56 (1): 3–6. Bibcode :1986PhRvL..56....3F. doi :10.1103/PhysRevLett.56.3. PMID  10032514.
2. Сафронова, М. С.; Будкер, Д.; Демилль, Д.; Кимбалл, Дерек Ф. Джексон; Деревянко, А.; Кларк, Чарльз В. (2018-06-29). "Поиск новой физики с атомами и молекулами". Reviews of Modern Physics . 90 (2): 025008. arXiv : 1710.01833 . Bibcode : 2018RvMP...90b5008S. doi : 10.1103/RevModPhys.90.025008. ISSN  0034-6861.
3. Фудзи, Ясунори (ноябрь 1971 г.). «Дилатон и возможная неньютоновская гравитация». Nature Physical Science . 234 (44): 5–7. Bibcode :1971NPhS..234....5F. doi :10.1038/physci234005a0. ISSN  0300-8746.
4. Фишбах, Эфраим; Талмадж, Каррик Л. (1999). Поиск неньютоновской гравитации. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer New York. doi :10.1007/978-1-4612-1438-0. ISBN 978-1-4612-7144-4.
5. Уилл, Клиффорд М. (декабрь 2014 г.). «Противостояние общей теории относительности и эксперимента». Living Reviews in Relativity . 17 (1): 4. arXiv : 1403.7377 . Bibcode : 2014LRR....17....4W. doi : 10.12942/lrr-2014-4 . ISSN  2367-3613. PMC 5255900. PMID 28179848  . 
6. Франклин, Аллан (2016). Фишбах, Эфраим (ред.). Подъем и падение пятой силы: открытие, преследование и обоснование в современной физике (2-е изд.). Cham Heidelberg New York Dordrecht London: Springer. ISBN 978-3-319-28412-5.
7. Веттерих, К. «Квинтэссенция – пятая сила из вариации фундаментальной гаммы» (PDF) . Гейдельбергский университет.
8. Cicoli, Michele; Pedro, Francisco G.; Tasinato, Gianmassimo (2012). "Естественная квинтэссенция в теории струн". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics . 2012 (7): 044. arXiv : 1203.6655 . Bibcode : 2012JCAP...07..044C. doi : 10.1088/1475-7516/2012/07/044. S2CID  118461474.
9. Двали, Джиа; Залдарриага, Матиас (2002-02-15). «Изменение α со временем: последствия для экспериментов с пятой силой и квинтэссенцией». Physical Review Letters . 88 (9). arXiv : hep-ph/0108217 . doi :10.1103/PhysRevLett.88.091303. ISSN  0031-9007.
10. "Лазерная локация Луны". Архивировано из оригинала 28 ноября 2016 года . Получено 7 мая 2005 года .
11. "Satellite Energy Exchange (SEE)". Архивировано из оригинала 7 мая 2005 года . Получено 7 мая 2005 года ., который призван проверить пятую силу в космосе, где можно достичь большей чувствительности.
12. Андер, Марк Э.; Цумберге, Марк А.; Лаутценхайзер, Тед; Паркер, Роберт Л.; Эйкен, Карлос Л. В.; Горман, Майкл Р.; Нието, Майкл Мартин; Купер, А. Пол Р.; Фергюсон, Джон Ф.; Фишер, Элизабет; МакМечан, Джордж А.; Сасагава, Гленн; Стивенсон, Дж. Марк; Бэкус, Джордж; Чав, Алан Д.; Грир, Джеймс; Хаммер, Фил; Хансен, Б. Лайл; Хильдебранд, Джон А.; Келти, Джон Р.; Сидлс, Синди; Виртц, Джим (27 февраля 1989 г.). «Проверка закона обратных квадратов Ньютона в ледяной шапке Гренландии». Physical Review Letters . 62 (9): 985–988. Bibcode : 1989PhRvL..62..985A. doi : 10.1103/PhysRevLett.62.985. PMID:  10040395.
13. Zumberge, Mark A.; Ander, Mark E.; Lautzenhiser, Ted V.; Parker, Robert L.; Aiken, Carlos LV; Gorman, Michael R.; Nieto, Michael Martin; Cooper, A. Paul R.; Ferguson, John F.; Fisher, Elizabeth; Greer, James; Hammer, Phil; Hansen, B. Lyle; McMechan, George A.; Sasagawa, Glenn S.; Sidles, Cyndi; Stevenson, J. Mark; Wirtz, Jim (1990). "Эксперимент по гравитационной постоянной в Гренландии". Journal of Geophysical Research . 95 (B10): 15483. Bibcode : 1990JGR....9515483Z. doi : 10.1029/JB095iB10p15483.
14. Арон, Джейкоб (2013). «Мантия Земли помогает охотиться за пятой силой природы». New Scientist .
15. Джейн, Бхувнеш; Викрам, Вину; Сакштейн, Джереми (25 ноября 2013 г.). «Астрофизические тесты модифицированной гравитации: ограничения, основанные на показателях расстояний в близлежащей вселенной». The Astrophysical Journal . 779 (1): 39. arXiv : 1204.6044 . Bibcode :2013ApJ...779...39J. doi :10.1088/0004-637X/779/1/39. S2CID  119260435. 39.
16. Лю, И-Чэн; Ян, Синь-Ше; Чжу, Хэн-Бин; Чжоу, Вэнь-Ху; Ван, Цянь-Шен; Чжао, Чжи-Цян; Цзян, Вэй-Вэй; Ву, Чуан-Чжэнь (сентябрь 1992 г.). «Испытание неньютоновской гравитации на башне высотой 320 м». Буквы по физике А. 169 (3): 131–133. Бибкод : 1992PhLA..169..131L. дои : 10.1016/0375-9601(92)90582-7.
17. Фишбах, Эфраим; Талмадж, Каррик (19 марта 1992 г.). «Шесть лет пятой силы». Nature . 356 (6366): 207–215. Bibcode :1992Natur.356..207F. doi :10.1038/356207a0. S2CID  21255315.
18. Дженкинс, Джере Х.; Фишбах, Эфраим; Банчер, Джон Б.; Грюнвальд, Джон Т.; Краузе, Деннис Э.; Мэттс, Джошуа Дж. (август 2009 г.). «Доказательства корреляций между скоростями ядерного распада и расстоянием от Земли до Солнца». Astroparticle Physics . 32 (1): 42–46. arXiv : 0808.3283 . Bibcode :2009APh....32...42J. doi :10.1016/j.astropartphys.2009.05.004. S2CID  119113836.
19. Холл, AM; Армбрустер, H.; Фишбах, E.; Талмадж, C. (1991). «Чувствителен ли эксперимент Этвеша к спину?». В Hwang, W.-Y. Pauchy; et al. (ред.). Progress in High Energy Physics . New York: Elsevier. стр. 325–339.
20. Cartlidge, Edwin (2016). «Нашла ли венгерская физическая лаборатория пятую силу природы?». Nature . doi :10.1038/nature.2016.19957. S2CID  124347962.
21. «Ученые, возможно, открыли пятую силу природы, сообщает лаборатория». The Independent . Лондон, Великобритания . Получено 26 ноября 2019 г.
22. Feng, Jonathan L.; Fornal, Bartosz; Galon, Iftah; Gardner, Susan; Smolinsky, Jordan; Tait, Tim MP; Tanedo, Philip (11 августа 2016 г.). "Протофобная интерпретация пятой силы наблюдаемой аномалии в ядерных переходах ^8Be ". Physical Review Letters . 117 (7): 071803. arXiv : 1604.07411 . Bibcode :2016PhRvL.117g1803F. doi :10.1103/PhysRevLett.117.071803. PMID  27563952. S2CID  206279817.
23. "Новое заявление о бозоне подвергается тщательному рассмотрению". Журнал Quanta . Получено 24 ноября 2019 г.