神秘的力量可能是科幻小说中可靠的比喻，但在现实中，物理学家长期以来一致认为，物体之间的所有相互作用显然都源于四种基本力。然而，这并没有阻止他们热切地寻找另一种尚未知的第五种基本力。发现这样一种力可能会解决当今物理学中一些最大的未解之谜，从暗能量的本质到量子力学和广义相对论之间看似不可调和的差异。现在，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 最近进行的一项实验正在为第五种力的可能特性提供新的线索。一个国际研究合作团队使用中子和硅晶体，为原子尺度上潜在的第五种基本力的强度设定了新的限制。该研究于 9 月份发表在《科学》杂志上，还包括对硅晶体和中子自身精确结构的测量。
该研究的主要作者、NIST 物理学家本杰明·希科克说：“实际上，对‘第五种力’的搜索工作贯穿了人类观测的整个长度尺度。” 他说，由于不同的理论预测了不同的第五种力特性，物理学家已经在从星系等天文物体的调查到定制微型仪器的微小运动等所有事物中寻找其微妙的影响。然而，到目前为止，所有搜索都一无所获。
华盛顿大学的物理学家埃里克·阿德尔伯格指出：“我们有理由认为我们遗漏了一些东西”，他没有参与这项研究。他自己的团队之前曾寻找过一些提议的新力，并以极大的实验确定性一无所获。在 2021 年获得突破奖的这项工作中，他们得出结论，第五种力一定比某些理论预测的要弱得多，或者它根本不存在。NIST 实验遵循了类似的想法，但使用了一种新颖的实验技术。“从实验主义者的角度来看，目标是在限制新力的强度方面取得进展，无论实验可以在哪里做到这一点，而对我们来说，这恰好发生在原子尺度上，”希科克说。
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阿德尔伯格表示，在如此小的尺度上衡量相关相互作用是极具挑战性的，部分原因是，在原子领域，典型物体的大小约为人类头发平均宽度的百万分之一。“您必须问，在与该长度尺度相关的小体积内，您可以获得多少物质？它绝对微小，”他说。即使是来自其他已知力（例如电磁力）的最微小影响也可能轻易破坏精密的测量。为了解决这个问题，NIST 团队依靠中子，即通常在原子核中发现的中性亚原子粒子，因为中子几乎不受电磁效应的影响。
此外，构成中子的更小粒子（称为夸克）被强相互作用（四种已知基本力之一）“粘合”在一起，强度非常大，以至于很难物理扰动它们。印第安纳大学的物理学家 W·迈克尔·斯诺也未参与这项新实验，他解释说：“将夸克结合在中子中的强相互作用非常强大，因此当它接近[其他]物质时，中子几乎不会变形。” 因此，研究中子的行为非常适合寻找新的力，因为首先，影响这些亚原子粒子的可轻易测量的效应并不多。这项新研究的合著者之一、北卡罗来纳州立大学的物理学家艾伯特·杨简单地说：“目前，在我们[原子]长度尺度上，中子有点统治地位。”
在他们的实验中，研究人员观察到中子穿过了一个经过特殊加工的、近乎完美的硅晶体，该晶体由日本理化学研究所先进光子学中心的合作者制造。“硅是一种常见的材料，但硅的精密加工是一件非常困难的事情，”NIST 物理学家和该研究的另一位合著者迈克尔·胡伯强调说。在这个完美的晶体内部——由于特殊的 NIST 设施，它免受光、热、振动和其他外部噪声源的影响——硅原子以可预测的网格状模式排列。
穿过该网格的中子与一些硅原子碰撞并避开了其他硅原子。然而，由于中子的旅程发生在原子尺度上，量子力学定律规定所有粒子都表现得像波一样，因此它们与硅原子的碰撞类似于海浪冲击着点缀着大型、均匀间隔岩石的海岸。当一个中子撞击一个硅原子时，这种相互作用就会产生类似中子波纹的东西。这种波纹与其他起源于相邻硅原子附近的中子波纹重叠，从而产生波浪干涉图案，这与岩石海岸附近波涛汹涌的水面非常相似。
最关键的是，通过巧妙的实验设计，研究人员确保了一些拍打在硅原子“海岸”上的中子“波”以非常特定的方式重叠，从而产生了所谓的 Pendellösung 振荡。这些振荡大致类似于拍频，最好将其视为脉动、交替的低声然后高声的听觉效果，当两个几乎相同的声波同时播放时就会发生这种情况。就这项新实验而言，它们类似于中子波沿硅海岸线破碎时产生的独特但难以检测的波纹图案。“尽管 Pendellösung 干涉是在很久以前，20 世纪 60 年代在麻省理工学院发现和证明的，但它很少被使用，而且大多数实验对它都不敏感，”胡伯解释说。
他的团队仔细分析了这些特殊的波纹，寻找有关硅“岩石”和撞击它们的 neutron 波的关键细节。就好像他们可以分辨出每个“波”携带了多少“水”，是否有任何“岩石”在碰撞中移动等等。重要的是，如果原子尺度的第五种力相互作用发挥作用，中子波干涉图案的细节就会揭示它的存在，就像冲浪中的波纹可以跟随水下海堤的轮廓一样。尽管研究人员没有发现第五种力的迹象，但他们确实确定了一个新的限制，比以前严格 10 倍，即这种力可能有多强。
NIST 团队认为，他们创新的实验装置将使他们能够在未来进行更精确的测量。例如，他们已经成功地推断出中子内部夸克的排列细节，以及硅原子的一些精确运动，这可能对微调电子产品的制造非常有用。然而，他们限制第五种力强度的任务仍然是他们工作中最有希望也是最困难的部分，他们通过在某些假设下结合多个独立的中子特性测量来完成这项任务。“我们可以而且应该继续搜索[第五种力]，”东京大学的物理学家神谷义夫说，他没有参与这项新研究。“这只是第一步。”
阿德尔伯格对此表示赞同，他渴望看到下一阶段实验的新结果。“要获得这种结果，需要做很多事情，”他说。“这是一个微小的效应，研究人员必须不断考虑所有其他微小的效应。” 神谷和阿德尔伯格都认为，关于这项新工作应该在多大程度上让物理学家重新考虑他们关于可能的第五种力强度的理论，还存在争论的空间。阿德尔伯格说，根据目前的研究，仍然存在太多潜在的误差来源；他说，即使 NIST 团队发现了新力的积极证据，也不能被认为是真正确定的。
希科克指出，他的团队已经有了推进他们工作的想法，例如使用锗晶体代替硅晶体，在锗晶体中，原子的排列结构可能更有利于对中子干涉进行精确观测。另一个目标是认真扩展可用的精确原子尺度测量目录，供所有寻找第五种力的物理学家在他们自己的独立工作中参考。理想情况下，希科克指出，新研究中的测量只是开启未来更多测量的序幕。“我认为任何实验最终都会撞墙，但我也认为我们离它还很远，”他说。