Пятая сила

В физике есть 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 предлагают 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, чем электромагнетизм или ядерные силы ) с диапазоном от менее чем миллиметра до космологических масштабов. Другое предложение — новое слабое взаимодействие, опосредованное бозонами W' и Z' .

Поиски пятой силы в последние десятилетия активизировались благодаря двум открытиям в космологии , которые не объясняются современными теориями. Было обнаружено, что большая часть массы Вселенной приходится на неизвестную форму материи, называемую темной материей . Большинство физиков полагают, что темная материя состоит из неоткрытых субатомных частиц. их трудно обнаружить, но некоторые полагают, что это может быть связано с неизвестной фундаментальной силой. Во-вторых, недавно было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется, что объясняется формой энергии, называемой темной энергией . форма темной энергии, называемая квинтэссенцией . Некоторые физики предполагают, что пятой силой может быть

История

Термин «пятая сила» возник в статье Фишбаха и др., опубликованной в 1986 году. который повторно проанализировал данные эксперимента Лоранда Этвоса, проведенного в начале века; повторный анализ обнаружил зависимость от расстояния от гравитации, которая отклоняется от закона обратных квадратов . Повторный анализ был вызван теоретической работой Фуджи в 1971 году. предлагая модель, которая изменяет зависимость от расстояния с помощью члена, подобного потенциалу Юкавы :

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

Параметр $\alpha$ характеризует силу и $\lambda$ диапазон взаимодействия. В статье Фишбаха была указана сила около 1% силы тяжести и дальность действия в несколько сотен метров. Эффект этого потенциала можно эквивалентно описать как обмен векторными и/или скалярными бозонами, то есть предсказание еще не обнаруженных новых частиц. Однако многие последующие попытки воспроизвести отклонения не увенчались успехом.

Теория

Теоретические предложения в категории пятой силы вызваны двумя несоответствиями между современными моделями общей теории относительности и квантовой теории поля : проблемой иерархии и проблемой космологической постоянной . Оба вопроса предполагают возможность коррекции гравитационного потенциала вокруг $100\mu {\text{m}}$.

подходы

Можно провести как минимум три вида поиска, которые зависят от типа рассматриваемой силы и ее дальности.

Принцип эквивалентности

Один из способов поиска пятой силы — 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 существование пятой силы   —   возможно, с бесконечным радиусом 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, и разные виды степеней свободы производят разные эффекты. Например, скалярное поле не может вызвать искривление световых лучей .

Пятая сила проявит себя в воздействии на орбиты Солнечной системы, называемом эффектом Нордведта . Это проверено с помощью эксперимента по лунной лазерной локации. и интерферометрия со сверхдлинной базой .

Дополнительные измерения

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 легким скалярным полем (т. е. скалярным полем с длинной комптоновской длиной волны). , который определяет диапазон). В последнее время это вызвало большой интерес, поскольку теория суперсимметричных больших дополнительных измерений   —   размеров чуть меньше миллиметра —   побудила экспериментальную попытку проверить гравитацию в очень малых масштабах. Это требует чрезвычайно чувствительных экспериментов, которые ищут отклонения от закона обратных квадратов гравитации на широком диапазоне расстояний. По сути, они ищут признаки того, что взаимодействие Юкавы продолжается в течение определенной продолжительности.

Австралийские исследователи, пытавшиеся измерить гравитационную постоянную глубоко в шахте, обнаружили несоответствие между предсказанным и измеренным значением: измеренное значение оказалось на два процента меньше. Они пришли к выводу, что результаты могут быть объяснены пятой силой отталкивания с диапазоном от нескольких сантиметров до километра. Подобные эксперименты были проведены на борту подводной лодки USS Dolphin (AGSS-555) , находящейся в глубоком погружении. Дальнейший эксперимент по измерению гравитационной постоянной в глубокой скважине на ледниковом щите Гренландии обнаружил расхождения в несколько процентов, но исключить геологический источник наблюдаемого сигнала не удалось.

Мантия Земли

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

Переменные цефеид

Джайн и др. (2012) изучил существующие данные о скорости пульсаций более тысячи переменных цефеид в 25 галактиках. Теория предполагает, что скорость пульсации цефеид в галактиках, экранированных от гипотетической пятой силы соседними скоплениями, будет следовать иной схеме, чем частота пульсаций цефеид, которые не экранированы. Они не смогли найти никаких отклонений от теории гравитации Эйнштейна.

Другие подходы

В некоторых экспериментах использовалось озеро и башня высотой 320 метров . Всесторонний обзор, проведенный Эфраимом Фишбахом и Кэрриком Талмаджем, показал, что убедительных доказательств существования пятой силы нет. хотя ученые все еще ищут его. Статья Фишбаха-Талмаджа была написана в 1992 году, и с тех пор появились другие доказательства, которые могут указывать на существование пятой силы.

Вышеупомянутые эксперименты ищут пятую силу, которая, как и гравитация, не зависит от состава объекта, поэтому все объекты испытывают действие силы пропорционально их массам. Силы, которые зависят от состава объекта, могут быть очень точно проверены с помощью экспериментов на торсионных весах , изобретенных Лорандом Этвёшем . Такие силы могут зависеть, например, от соотношения протонов и нейтронов в атомном ядре, ядерного спина, или относительное количество различных видов энергии связи в ядре (см. полуэмпирическую формулу массы ). Поиски проводились от очень коротких расстояний до муниципальных масштабов, до масштабов Земли , Солнца и темной материи в центре галактики.

новых

Основная статья: частица X17

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). Пытаясь найти темный фотон , венгерская команда выпустила протоны в тонкие мишени из лития-7 , в результате чего были созданы нестабильные ядра бериллия-8, которые затем распались и выбросили пары электронов и позитронов. Избыточные распады наблюдались при угле раскрытия 140° между e ⁺ и е ⁻ и совокупная энергия 17 МэВ, что указывало на то, что небольшая часть бериллия-8 отдаст избыточную энергию в виде новой частицы.

В ноябре 2019 года Краснагоркай объявил, что он и его команда из ATOMKI успешно наблюдали те же аномалии в распаде стабильных атомов гелия, которые наблюдались в бериллии-8, что подтверждает X17 . существование частицы

Фэн и др . (2016) предположил, что протофобный (то есть «игнорирующий протоны») Х-бозон с массой 16,7 МэВ с подавленной связью с протонами по сравнению с нейтронами и электронами и диапазоном фемтометра может объяснить эти данные. Эта сила может объяснить мюона g − 2 аномалию и стать кандидатом на роль темной материи. В настоящее время проводится несколько исследовательских экспериментов, чтобы попытаться подтвердить или опровергнуть эти результаты.

См. 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 местных взаимодействий.