神秘的力量可能是科幻小說中可靠的比喻，但在現實中，物理學家長期以來一致認為，物體之間的所有相互作用顯然都源於四種基本力。然而，這並沒有阻止他們熱切地尋找另一種尚未知的第五種基本力。發現這樣一種力可能會解決當今物理學中一些最大的未解之謎，從暗能量的本質到量子力學和廣義相對論之間看似不可調和的差異。現在，美國國家標準與技術研究院 (NIST) 最近進行的一項實驗正在為第五種力的可能特性提供新的線索。一個國際研究合作團隊使用中子和矽晶體，為原子尺度上潛在的第五種基本力的強度設定了新的限制。該研究於 9 月份發表在《科學》雜誌上，還包括對矽晶體和中子自身精確結構的測量。
該研究的主要作者、NIST 物理學家本傑明·希科克說：“實際上，對‘第五種力’的搜尋工作貫穿了人類觀測的整個長度尺度。” 他說，由於不同的理論預測了不同的第五種力特性，物理學家已經在從星系等天文物體的調查到定製微型儀器的微小運動等所有事物中尋找其微妙的影響。然而，到目前為止，所有搜尋都一無所獲。
華盛頓大學的物理學家埃裡克·阿德爾伯格指出：“我們有理由認為我們遺漏了一些東西”，他沒有參與這項研究。他自己的團隊之前曾尋找過一些提議的新力，並以極大的實驗確定性一無所獲。在 2021 年獲得突破獎的這項工作中，他們得出結論，第五種力一定比某些理論預測的要弱得多，或者它根本不存在。NIST 實驗遵循了類似的想法，但使用了一種新穎的實驗技術。“從實驗主義者的角度來看，目標是在限制新力的強度方面取得進展，無論實驗可以在哪裡做到這一點，而對我們來說，這恰好發生在原子尺度上，”希科克說。
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阿德爾伯格表示，在如此小的尺度上衡量相關相互作用是極具挑戰性的，部分原因是，在原子領域，典型物體的大小約為人類頭髮平均寬度的百萬分之一。“您必須問，在與該長度尺度相關的小體積內，您可以獲得多少物質？它絕對微小，”他說。即使是來自其他已知力（例如電磁力）的最微小影響也可能輕易破壞精密的測量。為了解決這個問題，NIST 團隊依靠中子，即通常在原子核中發現的中性亞原子粒子，因為中子幾乎不受電磁效應的影響。
此外，構成中子的更小粒子（稱為夸克）被強相互作用（四種已知基本力之一）“粘合”在一起，強度非常大，以至於很難物理擾動它們。印第安納大學的物理學家 W·邁克爾·斯諾也未參與這項新實驗，他解釋說：“將夸克結合在中子中的強相互作用非常強大，因此當它接近[其他]物質時，中子幾乎不會變形。” 因此，研究中子的行為非常適合尋找新的力，因為首先，影響這些亞原子粒子的可輕易測量的效應並不多。這項新研究的合著者之一、北卡羅來納州立大學的物理學家艾伯特·楊簡單地說：“目前，在我們[原子]長度尺度上，中子有點統治地位。”
在他們的實驗中，研究人員觀察到中子穿過了一個經過特殊加工的、近乎完美的矽晶體，該晶體由日本理化學研究所先進光子學中心的合作者製造。“矽是一種常見的材料，但矽的精密加工是一件非常困難的事情，”NIST 物理學家和該研究的另一位合著者邁克爾·胡伯強調說。在這個完美的晶體內部——由於特殊的 NIST 設施，它免受光、熱、振動和其他外部噪聲源的影響——矽原子以可預測的網格狀模式排列。
穿過該網格的中子與一些矽原子碰撞並避開了其他矽原子。然而，由於中子的旅程發生在原子尺度上，量子力學定律規定所有粒子都表現得像波一樣，因此它們與矽原子的碰撞類似於海浪衝擊著點綴著大型、均勻間隔岩石的海岸。當一箇中子撞擊一個矽原子時，這種相互作用就會產生類似中子波紋的東西。這種波紋與其他起源於相鄰矽原子附近的中子波紋重疊，從而產生波浪干涉圖案，這與岩石海岸附近波濤洶湧的水面非常相似。
最關鍵的是，透過巧妙的實驗設計，研究人員確保了一些拍打在矽原子“海岸”上的中子“波”以非常特定的方式重疊，從而產生了所謂的 Pendellösung 振盪。這些振盪大致類似於拍頻，最好將其視為脈動、交替的低聲然後高聲的聽覺效果，當兩個幾乎相同的聲波同時播放時就會發生這種情況。就這項新實驗而言，它們類似於中子波沿矽海岸線破碎時產生的獨特但難以檢測的波紋圖案。“儘管 Pendellösung 干涉是在很久以前，20 世紀 60 年代在麻省理工學院發現和證明的，但它很少被使用，而且大多數實驗對它都不敏感，”胡伯解釋說。
他的團隊仔細分析了這些特殊的波紋，尋找有關矽“岩石”和撞擊它們的 neutron 波的關鍵細節。就好像他們可以分辨出每個“波”攜帶了多少“水”，是否有任何“岩石”在碰撞中移動等等。重要的是，如果原子尺度的第五種力相互作用發揮作用，中子波干涉圖案的細節就會揭示它的存在，就像衝浪中的波紋可以跟隨水下海堤的輪廓一樣。儘管研究人員沒有發現第五種力的跡象，但他們確實確定了一個新的限制，比以前嚴格 10 倍，即這種力可能有多強。
NIST 團隊認為，他們創新的實驗裝置將使他們能夠在未來進行更精確的測量。例如，他們已經成功地推斷出中子內部夸克的排列細節，以及矽原子的一些精確運動，這可能對微調電子產品的製造非常有用。然而，他們限制第五種力強度的任務仍然是他們工作中最有希望也是最困難的部分，他們透過在某些假設下結合多個獨立的中子特性測量來完成這項任務。“我們可以而且應該繼續搜尋[第五種力]，”東京大學的物理學家神谷義夫說，他沒有參與這項新研究。“這只是第一步。”
阿德爾伯格對此表示贊同，他渴望看到下一階段實驗的新結果。“要獲得這種結果，需要做很多事情，”他說。“這是一個微小的效應，研究人員必須不斷考慮所有其他微小的效應。” 神谷和阿德爾伯格都認為，關於這項新工作應該在多大程度上讓物理學家重新考慮他們關於可能的第五種力強度的理論，還存在爭論的空間。阿德爾伯格說，根據目前的研究，仍然存在太多潛在的誤差來源；他說，即使 NIST 團隊發現了新力的積極證據，也不能被認為是真正確定的。
希科克指出，他的團隊已經有了推進他們工作的想法，例如使用鍺晶體代替矽晶體，在鍺晶體中，原子的排列結構可能更有利於對中子干涉進行精確觀測。另一個目標是認真擴充套件可用的精確原子尺度測量目錄，供所有尋找第五種力的物理學家在他們自己的獨立工作中參考。理想情況下，希科克指出，新研究中的測量只是開啟未來更多測量的序幕。“我認為任何實驗最終都會撞牆，但我也認為我們離它還很遠，”他說。