物理学家说,第五种自然之力将“彻底改变宇宙的图景”。科学家们雄心勃勃的即将开展一项寻找自然“暗力”的行动,如果能够找到这种力量,就能打开通往一扇看不见的宇宙王国的大门。搜寻过程中将会寻找新宇宙基本力的证据,这种力在普通物质和构成绝大部分宇宙的无形“暗区”之间架起了一座桥梁。
这次能够成功搜寻到这种力的几率很小,但是,如果能找到这种力,这将成为物理学史上最引人注目的发现之一。物理学家提出的关于现实世界的最佳理论,只能解释4%可观测到的宇宙,其余的则是由暗物质和暗能量构成的神秘世界。暗物质是潜伏在星系周围的一种奇怪物质,而暗力则更令人费解,是一种被用来解释宇宙不断加速膨胀的原因的物质。
意大利罗马大学(Sapienza University of Rome)的研究人员毛罗•拉吉(Mauro Raggi)说:“目前,我们还不清楚超过90%的宇宙由什么构成,如果我们发现这种力,将彻底改变我们现有的理论模型。这将开启全新的世界,有助于我们理解构成暗区域的粒子和力。”
宇宙中的暗物质迄今为止,物理学家只了解四种基本自然力。电磁力使视觉和手机通话成为可能,而且还能防止我们从椅子上掉下去。若无所谓的强力,原子内部就会分裂;弱力在辐射中发挥作用,而引力——自然界最普遍的力,使我们的双脚能站立在地面上。但是,或许有其他的力未被注意到。这些力将塑造那些迄今为止依然未知的构成暗物质的粒子的行为,并可能对我们更熟悉的力产生最微妙的影响。
本月,拉吉和他的同事们将在罗马附近的国家核物理研究所(National Institute of Nuclear Physics)设计启动一种仪器,旨在寻找可能存在的第五种自然力。这台机器被称为“帕德美”(Padme),用于正电子湮灭为暗物质的实验。当厚度仅为十分之一毫米的钻石晶片被一股被称为正电子的反物质粒子流喷射时,机器会记录下所有发生的一切。
如果暗光子存在,将对我们所看到的世界的构造产生不易觉察的影响。但是,如果能了解其质量,以及它能分解成的粒子种类,就能让我们首次瞥见宇宙的主体由什么构成,这是我们前所未知的。帕德梅的实验至少会持续到今年年底,但暂时计划在2021年将这种仪器转移到康奈尔大学。在那里,它将被连接到一个比意大利粒子加速器更强大的粒子加速器上,以扩大对暗光子的搜索。
世界上其他的实验室也在寻找暗光子。
格拉斯哥大学(Glasgow University)研究人员布莱恩·麦金农(Bryan Mc Kinnon)参与了在弗吉尼亚州托马斯·杰斐逊国家加速器中心(Thomas Jefferson national accelerator facility)寻找这种粒子的工作。
他说:“如果暗光子存在,实际上是敞开了一扇大门,让我们深入了解暗区,通过暗物质看看宇宙中发生了什么;它不会打开闸门,但会让我们稍微看一下。”
物理学家对暗区域的复杂程度知之甚少。可能不会发现新的力。暗物质本身可能仅由重力塑造并且仅由一种粒子组成。但也可能是一个更丰富的领域,在该领域,新型的隐形粒子和力等待着被人们发现。
根据麦金农的观点,现代理论为诸如暗光子的奇异粒子留有余地意味着物理学家们不得不寻找它们。他说:“如果能找到暗区存在的证据,在物理学上肯定是件大事。”对撞机自从2012年日内瓦利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子以来,粒子物理学家们就没什么好兴奋的了。但大型实验室缺乏新发现,推动了小型实验室进行实验可能会带来巨大回报的、长期实验的努力。帕德美找到第五种力的可能性有多大?
拉吉说:“在某种意义上,我们都是在盲目摸索,但只要是在摸索,至少还有机会。”