مصير التفاعل الخامس في الفيزياء معلقة في الميزان

"انظر ، لقد احتسب السيد غاليليو كل شيء بشكل صحيح." لم يكن هذا الاستنتاج مستندًا إلى أدق تجربة ، ولكنه كان واحدًا من أروع التجارب - كما حدث على القمر.

في عام 1971 ، رائد الفضاء في مهمة أبولو 15 ، ديفيد سكوت أسقط ريشة ومطرقة من ارتفاع واحد ووجد أنهم وصلوا في نفس الوقت إلى سطح القمر. لا يعتمد التسارع الناتج عن الجاذبية على التكوين أو كتلة الجسم ، كما توقع جاليليو في تجربته (ملفق) مع برج بيزا المائل.

أم أنها تعتمد؟ بسرعة إلى الصفحة الأولى من صحيفة نيويورك تايمز في يناير 1986: " تلميحات عن قوة خامسة في الكون تغير اكتشافات جاليليو ". ووصفت الصحيفة العمل العلمي من مجلة Physical Review Letters المحترمة ، التي قام بها الفيزيائي إفرام فيشباخ وزملاؤه. وقد قدم دليلاً على أن التسارع الناتج عن الجاذبية يعتمد على التركيب الكيميائي للجسم المعني. اتضح أن الجاذبية ليست كما اعتقدنا: تأثيرها ، وفقًا للمؤلفين ، يتأثر بما أسماه مراسل صحيفة نيويورك تايمز جون نوبل ويلفورد "التفاعل الخامس" ، مضيفًا ذلك إلى القوى الأربع التي نعرفها بالفعل.



على مدى أكثر من 30 عامًا ، تم إجراء العديد من التجارب في محاولة لتأكيد وجود القوة الخامسة المزعومة. على الرغم من دقتها العالية للغاية ، لم يقدم أي منها أدلة قاطعة على وجودها. لكن البحث لا يتوقف. في العام الماضي فقط ، ظهر تلميح مغر جديد لوجود مثل هذه القوة في تجارب في الفيزياء النووية ، مما أدى إلى تكهنات واضطرابات جديدة.

المبادئ الأساسية للفيزياء الحديثة معلقة في الميزان. يعتقد بعض الفيزيائيين أن القوة الخامسة ممكنة ، بل وضرورية ، لتوسيع وتوحيد النظريات الموجودة اليوم. ويأمل آخرون أن تسلط مثل هذه القوة الضوء على المادة المظلمة الغامضة ، وتفوق جميع المواد العادية في الكون. يقول الفيزيائي جوناثان فنغ من جامعة كاليفورنيا في ايرفين ، إن ذلك إذا كان موجودًا ، فهذا يعني أن محاولاتنا لتوحيد القوى المعروفة سابق لأوانها ، حيث أنه من الضروري الآن الاتحاد مع الخامس أيضًا.

ولماذا يجادل حول تفاعل أساسي جديد ، إذا لم يكن لديه دليل؟ كان الدافع الأولي واضحًا حتى في أيام جاليليو. يمكن وصف الكتلة بطريقتين. الأول هو القصور الذاتي: كتلة الجسم هي مقاومة للحركة ، وكلما زادت الكتلة ، زادت المقاومة. الآخر هو الجاذبية: وفقًا لقانون الجاذبية لنيوتن ، فإن قوة الجذب التي يعاني منها جسمان تتناسب مع ناتج كتلها مقسومًا على مربع المسافة بينهما. تؤدي هذه القوة إلى تسارع التفاحة المتساقطة. وفقط إذا كان التعريفان للكتلة متطابقين ، فإن تسارع الجاذبية لا يعتمد على كمية الكتلة المتسارعة.

لكن هل هي متطابقة؟ إذا لم يكن الأمر كذلك ، فسوف تقع الكتل المختلفة تحت تأثير الجاذبية بسرعات مختلفة. ألهمت الفكرة البديهية القائلة بأن كتلة كبيرة يجب أن تسقط أسرع الناس للاختبار قبل جاليليو بوقت طويل. قام سايمون ستيفين ، عالم الطبيعة الفلمنكي ، بإلقاء كرات الرصاص من برج الساعة في دلفت عام 1586 ، ولم يجد الفرق في الوقت الذي استغرقه الوصول إلى الأرض. اختبر نيوتن نفسه هذه الفكرة في عام 1680 ، بقياس ما إذا كانت فترة التأرجح للبندولات من كتل مختلفة ، ولكن من نفس الطول ، تتزامن - ويجب أن تتزامن إذا كان تسارع الجاذبية مستقلاً عن الكتلة. تم تكرار دراساته بدقة أكبر من قبل العالم الألماني فريدريش فيلهلم بيسيل في عام 1832. لم يجدوا فرقا واضحا.

تُعرف فكرة تزامن كتلتي القصور والجاذبية باسم " مبدأ التكافؤ الضعيف " (SPE). أصبح السؤال حرجًا عندما صاغ أينشتاين نظريته النسبية العامة في 1912-1916 ، استنادًا إلى فكرة أن القوى التي يمر بها جسم ما بسبب الجاذبية لا تختلف عن القوى التي تمت تجربتها بسبب التسارع. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فلن تعمل GR.

قال ستيفان شلامينغر ، الذي يعمل في قدس أقداس عالم القياسات الدقيقة ، في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في غايثرسبيرغ: "مبدأ التكافؤ هو أحد الافتراضات الأساسية للنسبية العامة". ولذلك يجب فحصها بعناية. تعتبر عمليات التحقق من مبدأ التكافؤ رخيصة وبسيطة نسبيًا ، ولكن اكتشاف انتهاكها يمكن أن يكون له عواقب وخيمة. سيكون من التهور عدم إجراء مثل هذه التجارب ".

إذا فشل SEE ، فسيكون لدينا خياران. أو التعبير النيوتوني لجذب كتلتين (موجودة في النسبية العامة للكتل غير الكبيرة جدًا) غير دقيق بعض الشيء ، ويجب تصحيحه. إما أن كل شيء على ما يرام مع الجاذبية ، لكن هناك تفاعل خامس جديد يؤثر عليه. سيتم إضافة التفاعل الخامس إلى الأربعة المعروفة بالفعل لنا: الجاذبية والكهرومغناطيسية والتفاعلات القوية والضعيفة التي تتحكم في تفاعلات الجسيمات دون الذرية في نوى الذرات. الجاذبية المعدلة أو التفاعل الخامس - الفرق هنا ، وفقًا لـ Fischbach ، هو دلالة.

على أي حال ، يقول فنغ ، "لا يوجد سبب لعدم وجود التفاعل الخامس الذي لم نلاحظه من قبل."

وبحلول الوقت الذي ربط فيه آينشتاين PSE بنظريته الجديدة عن الجاذبية ، تم بالفعل اختبار هذا المبدأ بدقة عدة مرات. في نهاية القرن التاسع عشر ، أدرك ممثل النبلاء المجريين ، البارون لوراند أوفتوس ، الذي عمل في جامعة بودابست ، أنه يمكن التحقق منه باستخدام توازن جماهير اثنين.

تستخدم Eötvös موازين الالتواء. قام بتثبيت شيئين في نهايات عمود معلقة على حبل. إذا كان وزن الأجسام هو نفسه - أي أن لها نفس كتلة الجاذبية - فإن القطب متوازن أفقيًا. لكن الجماهير تعاني أيضًا من قوة الطرد المركزي بسبب دوران الأرض ، اعتمادًا على كتلتها بالقصور الذاتي. إذا كانت كتلة القصور الذاتي تعادل الجاذبية ، فستتوازن جميع القوى ولن يتحرك القطب. خلاف ذلك ، سيتعين على الجماهير أن تنحرف عن الأفقي بسبب دوران الأرض.

وإذا كان انحراف الكتلتين مختلفًا - على سبيل المثال ، إذا كان الانحراف عن SPE يعتمد على تكوين الكتلة - فإن القطب سيختبر عزم الدوران. حتى إذا كان الدوران صغيرًا جدًا ، فيمكن قياسه ، على سبيل المثال ، باستخدام شعاع منعكس من مرآة مثبتة على عمود.

لكن الحقيقة هي أن قوة الجاذبية على الأرض تختلف باختلاف التضاريس. كوكبنا ليس مجالًا سلسًا وموحدًا. الحجارة لها كثافات مختلفة ، وهي تمارس قوى جاذبية مختلفة على الأشياء. نظرًا لدقة تجربة Eötvös ، حتى وجود مباني جامعية قريبة يمكن أن يدمر النتائج. إحدى الطرق للقضاء على هذا التأثير هي أخذ القياسات في اتجاهين مختلفين للقطب - على سبيل المثال ، عندما يتم توجيهه من الغرب إلى الشرق ، ثم من الشمال إلى الجنوب. في كلا الموقفين ، يجب أن تعمل تأثيرات الجاذبية بنفس الطريقة ، لكن قوى الطرد المركزي ستكون مختلفة - وبالتالي ، فإن أي انحراف عن تنفيذ SPE سيؤدي إلى اختلاف في عزم الدوران في مواقع مختلفة للقطب. يتوافق هذا النهج مع الاستراتيجية العامة لإجراء التجارب مع الموازن - لا داعي للقلق بشأن التأثيرات المحلية أو دقة قياس القيم المطلقة.

يمكن أن تتغير الاضطرابات المحلية أيضًا بمرور الوقت - حتى الشاحنة المارة يمكن أن يكون لها تأثير جاذبية صغير. كان على الباحثين العمل على القضاء على هذه المتغيرات. حتى وجود المجرب يمكن أن يحدث فرقا. لذلك ، كان العلماء المجريون على مسافة محترمة بينما هدأ الموازن ، ثم اندفعوا بسرعة إلى المختبر لأخذ القراءات حتى قام بتغيير وضعه (كانت فترة دوره 40 دقيقة).

بنى Etvös موازين الالتواء بحيث أصبحت من أعمال الهندسة الدقيقة. في أحد طرفي القطب كانت كتلة قياسية من البلاتين ، وتم تثبيت مواد أخرى في الطرف الآخر. وقف الستة على حامل ثلاثي ، قادر على الدوران لتعديل اتجاهه. تم تعقب دورات القطب باستخدام تلسكوب ومرآة مثبتة على عمود. يمكن أن تؤدي الاختلافات الصغيرة في درجة الحرارة إلى تشويه الجهاز وخلق دوران زائف ، لذلك تم وضع الهيكل بأكمله في غرفة مغلقة ومعزولة. لمزيد من الدقة ، أجرى الباحثون المزيد من التجارب في غرفة مظلمة بحيث لا يؤدي الضوء إلى تقلبات في درجة الحرارة. كان الجهاز نفسه تحت مظلة معزولة حرارياً بالطحالب.


اشعر بسخط القوة: كانت مقاييس التواء Eötvös حساسة للغاية لحظة التحول ، مما قد يشير إلى وجود تفاعل خامس

بدأ العلماء المجريون تجاربهم في عام 1889 ، ولم يجدوا أي دوران مرئي مرتبط بانحراف عن مبدأ التكافؤ في كتل العديد من المواد المختلفة بدقة جزء واحد لكل 20 مليون.

لذا ، بحلول نهاية القرن التاسع عشر لم يكن هناك سبب للشك في EIT. ولكن بحلول ذلك الوقت بدأت تظهر أسباب أخرى. على سبيل المثال ، تحدث اكتشاف النشاط الإشعاعي عن وجود مصدر غير معروف للطاقة داخل الذرات. علاوة على ذلك ، أعطى GRT الخاص بأينشتاين نظرة جديدة على المادة والكتلة. بدا الأمر وكأن الكتلة يمكن تحويلها إلى طاقة - كما أنها تعتمد على السرعة ، حيث تزداد سرعة الجسم مع اقتراب سرعة الضوء. مع وضع كل هذا في الاعتبار ، في عام 1906 ، قامت جمعية Royal Göttingen للعلوم في ألمانيا بتأسيس جائزة قدرها 4500 علامة للاختبارات الأكثر حساسية لمبدأ معادلة "القصور الذاتي والجاذبية" ، وتقديم تجارب Eötvös كمرجع.

حتى Atvös نفسه لم يستطع مقاومة المنافسة. يقول فيشباخ: "لقد كان خبيرًا عالميًا في مثل هذه التجارب". قام هو وطلابه ، ديكو بيكار وجينو فيكيتي ، بتفريغ تجربة توازن الالتواء وقضوا آلاف الساعات في فحص المواد الأخرى: النحاس والماء والأسبستوس والخشب الصلب وما إلى ذلك. أرسلوا نتائجهم في عام 1909 ، مدعين زيادة دقة التجربة إلى جزء واحد في 200 مليون. لكن التقرير الكامل نُشر بعد ثلاث سنوات فقط من وفاة إيوتفوس عام 1922. تابع جان آخر من طلابه ، يانوس رينر ، عمله ونشره في عام 1935 ، معلنا عن التحقق من EIT بدقة 1 جزء مقابل 2-5 مليار.

هل كانت هذه الدقة ممكنة حقًا؟ الفيزيائي روبرت ديك ، المتخصص في النسبية العامة ، أعرب عن شكوكه حول هذا ، عالج قضية مماثلة في الستينيات. بغض النظر عما إذا كان انتقاده صحيحًا ، فقد استخدم هو وزملاؤه مقاييس الالتواء الأكثر تعقيدًا وحققوا دقة جزء واحد لكل 100 مليار. وتمكنوا من القيام بذلك عن طريق قياس تسارع كتل الاختبار ليس فقط بواسطة جاذبية الأرض ، ولكن أيضًا بجاذبية الشمس. مع هذا النهج ، لم تكن هناك حاجة لإزعاج التوازن من خلال دوران الجهاز: اتجاه الجاذبية نفسها يدور مع تحرك الأرض في مدار حول الشمس. أي انحراف عن SPE سيظهر تغيرات في الإشارة ، بما يتفق مع فترة دوران الأرض لمدة 24 ساعة ، مما جعل من الممكن التمييز الدقيق للبيانات المفيدة عن الإشارات الخاطئة التي نشأت بسبب تغيرات الجاذبية المحلية وعوامل أخرى. لم ير ديك وزملاؤه أي علامات على هذا الانحراف: لا توجد علامات على أن قانون نيوتن بحاجة إلى تصحيح من خلال التفاعل الخامس.

هل الفيزيائيون راضون؟ ومتى هم سعداء بشكل عام؟

أصبح فيشباخ مهتمًا بالتفاعل الخامس بعد أن سمع عن التجربة التي أجراها زميله من بوردو ، روبرتو كوليلو ومعاونوه في عام 1975. حاولوا اكتشاف آثار تأثير الجاذبية النيوتونية على الجسيمات دون الذرية. تساءل فيشباخ عما إذا كان من الممكن إجراء مثل هذه التجارب مع الجسيمات دون الذرية في حالة حيث كانت الجاذبية قوية بما يكفي لظهور التأثيرات النسبية ، وليس فقط النيوتونية التي لم تصف الجاذبية بدقة. يمكن لمثل هذه التجربة أن تقدم طريقة جديدة تمامًا لاختبار نظرية أينشتاين.

بدأ يفكر في إمكانية استخدام جزيئات غريبة من " kaons " ، والجسيمات المضادة لها ، antikaons الناشئة في مسرعات الجسيمات. بدراسة عمل كاون الذي تم في مسرع Fermilab ، بدأ Fischbach للشك في أن سلوكهم قد يتأثر ببعض القوة الجديدة ، الحساسة لمعلمة مثل رقم الباريون ، B.

إن خاصية الجسيمات الأساسية هذه ، على عكس الكتلة أو الطاقة ، ليس لها معنى يومي واضح. وهي تساوي المجموع البسيط لعدد المكونات الأساسية والكواركات والعلامات القديمة التي تشكل البروتونات والنيوترونات في نوى الذرات. لكن إليك الشيء: إذا كانت القوة الجديدة تعتمد على عدد الباريون ، فيجب أن تعتمد على التركيب الكيميائي للمواد ، حيث أن العناصر الكيميائية المختلفة لها أعداد مختلفة من البروتونات والنيوترونات. بتعبير أدق ، سيعتمد على نسبة العدد B إلى كتل الذرات التي تشكل المادة. للوهلة الأولى ، يجب أن تكون هذه النسبة ثابتة ، حيث يتم الحصول على الكتل الذرية من مجموع البروتونات والنيوترونات. ولكن في الواقع ، يتم تحويل جزء صغير من الكتلة الإجمالية لجميع هذه المكونات إلى طاقة ، مما يربطها معًا ، ويختلف باختلاف الذرات. لذا فإن لكل عنصر نسبة فريدة من الكتلة إلى الكتلة.

قوة تعتمد على التكوين. أليس هذا ما تبحث عنه Etvosh؟ قرر فيشباخ إعادة التاريخ ودراسة نتائج تجارب البارون المجري بعناية. في خريف عام 1985 ، قام هو وطالبه كاريك تالمادج بحساب نسبة B / الكتلة للمواد المستخدمة من قبل Atvös. ما اكتشفوه فاجأهم بأنفسهم.

وجد الفريق المجري انحرافات صغيرة للغاية لتسارع الجاذبية المقاس لمواد مختلفة ، ولكن في حالة عدم وجود مخطط واضح لهذه الانحرافات ، نُسبت إلى أخطاء. ولكن عندما رسم فيشباخ وتالمادج انحرافات اعتمادًا على نسبة B / الكتلة ، وجدوا خطًا مستقيمًا ، يشير إلى وجود تنافر طفيف للجماهير ، مما يقلل من جاذبية الجاذبية.


القوة الخامسة: تاريخ شخصي. المجلة الفيزيائية الأوروبية H 40 ، 385-467 (2015).

لم يكن من السهل دائمًا إعادة التركيب الكيميائي للأشياء التي استخدمها Etvosh - خمسة أنواع نباتية مختلفة تسمى شجرة الثعبان ، ولكن ليس من الواضح كيفية تحديد تركيبة "دهون الأغنام الداخلية" ، ولكن وفقًا لحساباتهم ، ظلت العلاقة بين القيم. في واحدة من أكثر الحالات إثارة للدهشة ، كانت انحرافات بلورات البلاتين وكبريتات النحاس متشابهة تقريبًا. اتضح أن جميع خصائص هذه المواد تقريبًا (الكثافة ، إلخ) مختلفة ، ونسب B / الكتلة متطابقة تقريبًا.

قدم فيشباخ وتالمادج هذه النتائج في مقالهما المشهود به عام 1986 ، بمساعدة بيتر باك ، وهو طالب ما بعد الدكتوراه الذي سمحت له إتقانه الألمانية بترجمة التقرير الأصلي لفريق Etvös من عام 1922. كان المراجع ديك ، الذي أعرب عن بعض الشكوك ، لكنه صوت في النهاية للنشر. نشر ديك في وقت لاحق عمله ، مشيرًا إلى أنه يمكن تفسير الشذوذ في قياسات Eötvös بتأثير درجة الحرارة على الجهاز. ولكن كان لا يزال من الصعب جدًا رؤية كيف ستؤدي هذه التأثيرات إلى مثل هذا الارتباط المقنع مع خاصية غريبة مثل رقم الباريون.

بعد النشر ، كتب الكثير عن العمل - ليس فقط نيويورك تايمز ، ولكن أيضًا الفيزيائي الأسطوري ريتشارد فاينمان. قرر فيشباخ ، الذي اتصل به فينمان بالمنزل بعد أربعة أيام من نشر العمل ، في البداية أنه كان نوعًا من الخدعة. لم يكن فينمان معجبًا بشكل خاص بالاكتشاف ، حيث أخبر كل من فيشباخ ولوس أنجلوس تايمز. لكن رد فعله على العمل يتحدث بالفعل عن الانطباع الذي تركته على الأطراف المعنية.

كتب فيشباخ: "بالنظر إلى أن عملنا ألمح إلى وجود تفاعل جديد في الطبيعة ، فقد يبدو من المدهش أن عملية المراجعة سارت بسلاسة". من الممكن أن يكون هذا النعومة يرجع إلى حقيقة وجود أسباب نظرية وتجريبية بالفعل للاشتباه في وجود تفاعل خامس.

في عام 1955 ، اهتم الفيزيائيون الأمريكيون من أصل صيني ، Li Zhengdao و Yang Zhennin ، الذين تقاسموا جائزة نوبل للعمل على التفاعل بين الجسيمات الأساسية بعد ذلك بعامين ، بفكرة وجود تفاعل جديد ، اعتمادًا على رقم الباريون ، وحتى استخدموا عمل Etvosh للإشارة إلى قيود على قوته. التقى لي مع Fischbach بعد أسبوع واحد فقط من نشر عمله وهنأه على ذلك.

علاوة على ذلك ، في السبعينيات ، قام اثنان من علماء الجيوفيزياء من أستراليا ، فرانك ستايسي وجاري سو ، بقياس ثابت الجاذبية بدقة في منجم عميق ، والذي يحدد نسبة الكتل والقوى في معادلة نيوتن لجاذبية الجاذبية. لقد حصلوا على قيمة مختلفة تمامًا عما تم الحصول عليه سابقًا في المختبرات. يمكن تفسير هذا التناقض ، في جملة أمور ، من خلال إدخال قوة جديدة تعمل على مسافة عدة كيلومترات. استلهمت قياسات Stacy و Taka جزئيًا من عمل أوائل السبعينيات من قبل الفيزيائي الياباني Yasunori Fujii ، الذين درسوا إمكانية الجاذبية غير النيوتونية.

بعد عام 1986 ، استمر موسم الصيد.إذا كان التفاعل الخامس يعمل على مسافات تصل إلى عشرات ومئات الأمتار ، فسيكون من الممكن اكتشاف الانحرافات عن القيم التي تنبأت بها جاذبية نيوتن عندما تسقط الأجسام على ارتفاع كبير من سطح الأرض. في أواخر 1980s ، فريق من مختبر القوات الجوية الأمريكية في Hensky في بيدفورد. وقامت ماساتشوستس ، بقياس تسارع الجاذبية باستخدام برج تلفزيوني طوله 600 متر في ولاية كارولينا الشمالية ، وأبلغت عن علامات "تفاعل سادس" ، على عكس تنافر فيشباخ ، بدا أنه يعزز الجاذبية. ولكن بعد تحليل شامل للعمل ، تم رفض هذه التصريحات.

تم إجراء البحث الأكثر شمولاً في جامعة واشنطن في سياتل من قبل فريق من الفيزيائيين الذين قرروا اللعب بالكلمات وبسبب صوت الاسم المجري Eőtvős ، والذي أطلق عليه اسم Eot-Wash. شارك الفيزيائي النووي إريك أديلبيرغر في عملهم ، بحلول ذلك الوقت "أصبح أفضل مجرب في العالم في مجال الانحرافات عن تنبؤات الجاذبية النيوتونية" ، كما قال فيشباخ. استخدم فريق Eot-Wash موازين الالتواء الحديثة ، واتخذ العديد من الاحتياطات للقضاء على القطع الأثرية المحتملة. لم يجدوا أي شيء.

بدأت واحدة من أكثر التجارب التي لا تنسى والواعدة على الفور بعد الإعلان في عام 1986 ، وقام بها بيتر تيبيرغر من مختبر بروكهافن الوطني في أبتون ، جهاز كمبيوتر. نيويوركفي تجربته ، طفت كرة نحاسية مجوفة في خزان ماء فوق منحدر. في عام 1987 ، أفاد Tiberger أن المجال كان يتحرك باستمرار نحو منحدر ، حيث كان الجاذبية الجاذبية للحجر المحيط به أقل - وهذا هو بالضبط السلوك الذي يمكن توقعه إذا كانت هناك قوة طاردة تعارض الجاذبية. وكان هذا هو البرهان الوحيد على وجود التفاعل الخامس المنشور في مجلة علمية مشهورة. لماذا أدت هذه التجربة إلى مثل هذه النتيجة؟ لا أحد يعرف حتى الآن. وكتب فيشباخ: "من غير الواضح بالضبط ما هو الخطأ في تجربة تيبرغر ، وما إذا كان هناك شيء خاطئ على الإطلاق".

بحلول عام 1988 ، كان Fischbach قد أحصى بالفعل 45 تجربة تبحث عن تفاعل خامس. ولكن بعد خمس سنوات ، أظهرت تجربة Tiberger فقط شيء مشابه لها. في حديثه تكريماً لعقد العمل في عام 1986 ، اعترف فيشباخ بأنه: "في الوقت الحاضر ، لا يوجد دليل تجريبي مقنع على أي انحرافات عن تنبؤات الجاذبية النيوتونية. إن كثرة البيانات التجريبية الحالية لا تتوافق مع وجود أي تفاعلات جديدة تعمل على مسافات متوسطة أو طويلة ".

بدا ، كما صاغه فيشباخ بحزن ، أنه أصبح مكتشفًا لشيء غير موجود. تم اكتشاف الحالة العامة من قبل الفيزيائي لورانس كراوس ، ثم كان يعمل في جامعة ييل ، والذي ، استجابةً لوظيفته في عام 1986 ، قدم رسمًا لعبة رسم إلى رسائل المراجعة الفيزيائية ، حيث زعم أنه أعاد تحليل تجارب غاليليو مع تسريع الكرات المتدحرجة إلى أسفل التل الموصوف في الكتاب 1638 ، "أدلة رياضية تتعلق بفرعين جديدين للعلوم تتعلق بالميكانيكا والحركة المحلية" ، ويدعى أنها اكتشفت أدلة على "تفاعل ثالث" (بالإضافة إلى الجاذبية والكهرومغناطيسية). رفضت المجلة العمل ، وصاغت رفضًا بروح العمل نفسه: على أساس أن ست مراجعات لهذا العمل كتبها بوضوح المؤلف نفسه.

بعد عدة عقود من عدم الكشف العالمي عن التفاعل الخامس ، يمكن أن تقرر أن اللعبة قد انتهت. لكن الفيزيائيين يبحثون عن طرق لتوسيع أسس علمهم ، وبالتالي فإن الرغبة في الإيمان بوجود التفاعل الخامس تبدو أكثر جاذبية ، وهناك أسباب أكثر وأكثر لهذا. يقول فيشباخ: "يمكنك الآن العثور على آلاف الأعمال التي تصف تفاعلات أساسية جديدة يمكن أن تكون مصدر الخامس". "أكثر من دافع نظري كافي."

على سبيل المثال ، فإن النظريات اللاحقة ، التي تحاول توسيع الفيزياء إلى ما وراء "النموذج القياسي" الذي يصف جميع الجسيمات المعروفة وتفاعلاتها ، تقدم العديد من الاحتمالات للتفاعلات الجديدة ، في محاولة للكشف عن الطبقة التالية من الواقع. يتنبأ البعض منهم بوجود جسيمات قادرة على العمل كحاملة للتفاعلات غير المعروفة سابقًا ، تمامًا مثل التفاعلات الكهرومغناطيسية والقوية والضعيفة المرتبطة بالجسيمات الحاملة مثل الفوتون.

تسمى مجموعة من النماذج التي تتنبأ بانحراف عن الجاذبية النيوتونية ديناميكيات نيوتونية معدلة (MOND). إنهم يحاولون شرح بعض ملامح حركة النجوم في المجرات ، والتي يتم شرحها عادة بمساعدة "مادة مظلمة" افتراضية تتفاعل مع العادي فقط (أو تقريبًا فقط) من خلال الجاذبية. لا يوجد دليل على نماذج MOND حتى الآن ، لكن بعض الفيزيائيين يجدونها جذابة بشكل متزايد ، حيث لا تؤدي عمليات البحث النشطة لجزيئات المادة المظلمة إلى شيء.

بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا لفنغ ، يمكن أن يساعدنا التفاعل الخامس في فرز المادة المظلمة. بقدر علمنا ، فإنه يتفاعل مع المادة العادية فقط من خلال الجاذبية. ولكن إذا شعرت فجأة بالتفاعل الخامس ، "يمكن أن تزودنا بنوع من" البوابة "التي يمكننا من خلالها التفاعل في النهاية مع المادة المظلمة ليس فقط بمساعدة الجاذبية ، وفهم ما هي عليه."

علاوة على ذلك ، تتنبأ بعض النظريات التي تستخدم أكثر من ثلاثة قياسات مألوفة لنا - على سبيل المثال ، أكثر النسخ شيوعًا لنظرية الأوتار من قبل الفيزيائيين - أنه على مسافات تصل إلى ملليمتر واحد يمكن أن توجد قوى مشابهة للجاذبية ، ولكنها تتجاوزها بشكل كبير في القوة.

هذا النطاق بالتحديد هو الذي يستكشفه العلماء الآن. وهذا يعني قياس القوى بدقة بالغة ، تعمل بين كتل صغيرة مفصولة بمسافات صغيرة جدًا. قبل ثلاث سنوات ، أجرى فيشباخ وزملاؤه قياسات تتضمن جسيمات تقع على مسافات تتراوح من 40 إلى 8000 جزء في المليون. المشكلة في مثل هذه القياسات هي أنه بين هذه الأشياء القريبة تنشأ قوة جذابة بسبب تأثير Casimir . طبيعتها هي نفسها من قوى فان دير والزالعمل على مسافات أقصر وربط الجزيئات ببعضها البعض. تنشأ بسبب الحركة المتزامنة لسحب الإلكترونات في الأشياء ، مما يؤدي إلى جذب إلكتروستاتيكي بسبب وجود شحنة على الإلكترونات. تأثير Casimir هو ما تصبح عليه قوى Van der Waals عندما تكون الأشياء متباعدة بما يكفي - بأكثر من بضعة نانومتر - بحيث يلعب التأخير الزمني في تقلبات الإلكترون دورًا.

وجد فيشباخ وزملاؤه طريقة لقمع تأثير Casimir عن طريق تقليله مليون مرة ، مع تغطية كتل الاختبار بطبقة من الذهب. قاموا بتثبيت كرة صفير مطلية بالذهب بنصف قطر 1 / 150،000 مم إلى اللوحة ، والتي يمكن التحكم في تحركاتها إلكترونيًا. ثم نظموا دوران القرص المجهري مع مناطق مغطاة بالذهب والسيليكون ، أسفل الكرة مباشرة. إذا كان هناك اختلاف في التفاعل بين الذهب والسيليكون ، فيجب أن يؤدي ذلك إلى اهتزاز الكرة. لم يتم العثور على مثل هذا التأثير ، مما يعني أنه يمكن فرض قيود أقوى على القوة المحتملة للتفاعل الخامس ، اعتمادًا على المادة ، في المقاييس الميكروسكوبية.

في مثل هذه التجارب ، يمكنك استخدام مقاييس الالتواء. استخدم الباحثون في معهد أبحاث Cosmic Ray في جامعة طوكيو مثل هذا الجهاز للبحث عن الانحرافات عن تأثير Casimir القياسي بسبب التفاعل الخامس. حتى الآن ، وجدوا فقط قيودًا أكثر صرامة على قوة هذا التفاعل.

إلى جانب الكشف المباشر عن التفاعل الخامس ، لا يزال من الممكن العثور عليه بالطريقة التي أرادها فيشباخ في الأصل: من خلال تصادمات عالية الطاقة للجسيمات الأساسية. في عام 2015 ، أفاد فريق من معهد البحوث النووية في دبرتسن ، المجر ، بقيادة أتيلا كرازنناوركاي ، عن نتائج غير متوقعة من تجربة. الشكل غير المستقر لذرات البريليوم التي يتم الحصول عليها عن طريق قصف البروتون لرقائق رقائق الليثيوم وتنبعث منها أزواج من الإلكترونات والجسيمات المضادة لها ، البوزيترونات. تجاوز عدد أزواج الإلكترون البوزيترون التي أصدرتها العينة بزاوية 140 درجة مؤشرات أخرى ، لا يمكن لنظريات الفيزياء النووية القياسية تفسيرها.

في الواقع ، تم تجاهل هذه النتائج حتى اقترح فنغ وزملاؤه العام الماضي أنه يمكن تفسيرها من خلال ظهور تجربة تفاعلية جديدة في الجسيمات تتحلل بسرعة إلى إلكترون وبوزيترون. وبعبارة أخرى ، يمكن أن يكون هذا الجسيم حاملًا للتفاعل الخامس على مسافة قصيرة ، بعدة تريليونات من المليمتر.

لم يستنسخ باحثون آخرون هذه التجربة بعد ، لكن نتائج العلماء المجريين تبدو موثوقة. احتمالات أن يكون هذا تذبذبًا إحصائيًا عشوائيًا ضئيلة: 1 من 100 مليار ، "علاوة على ذلك ، البيانات متوافقة تمامًا مع الفرضية التي تأخذ في الاعتبار الجسيم الجديد" ، كما يقول. "إذا كان موجودًا ، فهذه هي الطريقة التي يمكن العثور عليها بها." يوافق شليمنغر على أن تفسير الملاحظات المجرية من قبل فنغ كان "أحد أروع الأشياء التي حدثت في عام 2016."

يعترف فنغ قائلاً: "لم نؤكد بعد وجود جسيم جديد ، لكن هذا التأكيد سيكون ثوريًا ، وسيكون أكبر اكتشاف في فيزياء الجسيمات في الأربعين سنة الماضية". يتنبأ عمله النظري بأن جسيمه المفترض أثقل بـ 33 مرة فقط من الإلكترون. في هذه الحالة ، سيكون من السهل جدًا الحصول على تصادمات الجسيمات - ولكن من الصعب رؤيتها. يقول فنغ: "إنه يتفاعل بشكل ضعيف جدًا ، وأظهرنا أنه لن يتم اكتشافه في جميع التجارب السابقة". ربما يمكنك البحث عنها في Large Hadron Collider at CERN.

لذا لم يتم استنفاد فرضية وجود التفاعل الخامس على الإطلاق. يمكننا أن نقول أن جميع الملاحظات في الفيزياء الأساسية أو علم الكونيات التي لا يمكن تفسيرها من خلال النظريات الموجودة - من خلال النموذج القياسي أو GR ، يجب أن تجعل الفيزيائيين يفكرون في تفاعلات جديدة أو أنواع جديدة من المواد ، مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة. هذه هي الطريقة التي عملت بها الفيزياء دائمًا: عندما لا يتناسب كل شيء آخر ، تضع رقمًا جديدًا على السبورة وتشاهد كيف تتحرك. بالطبع ، لم نر حتى الآن أدلة مقنعة على وجود التفاعل الخامس ، ولكن لم يلاحظ أحد أدلة مباشرة على المادة المظلمة ، أو التناظر الفائق ، أو القياسات الإضافية ، ولكن تم البحث عنها. لقد استبعدنا بالفعل العديد من الأقاليم حيث يمكن أن يحدث التفاعل الخامس ،لكن مساحة شاسعة بقيت غير مستكشفة.


قيود على القوة المحتملة للتفاعل الخامس α على المقاييس الكبيرة (اليسرى) والصغيرة (اليمنى). تشير المناطق الصفراء إلى المناطق المستبعدة ، وتشير ملصقات الحدود إلى التجارب الفردية. تظهر الخطوط المتقطعة على المقاييس الصغيرة الحجم المحتمل للتفاعل الخامس الذي تنبأت به نظريات مختلفة ،

وعلى أي حال ، يستمر البحث. في أبريل 2016 ، أطلقت وكالة الفضاء الأوروبية القمر الصناعي الفرنسي ميكروسكوب، التي يجب أن تختبر ضعف مبدأ التكافؤ في الفضاء بدقة غير مسبوقة. يستخدم زوجان من الأسطوانات يتم إدخالهما في بعضهما البعض في السقوط الحر: زوج واحد مصنوع من نفس سبيكة البلاتين والروديوم ، والزوج الآخر لديه أسطوانة خارجية مصنوعة من سبيكة أخف من التيتانيوم والفاناديوم والألمنيوم. إذا كانت الأسطوانات تسقط بسرعة اعتمادًا على المادة - وتصل الانحرافات عن SES إلى جزء واحد لكل ألف تريليون (وهو أقل 100 مرة مما يمكن قياسه على الأرض) ، فيمكن تحديدها باستخدام أجهزة استشعار إلكترونية.

يقول جويل بيرج ، عالِم في مركز أبحاث الفضاء الفرنسية التابع لـ ONERA ، المسؤول عن مشروع الميكروسكوب: "تتنبأ نماذج نظرية الأوتار بانتهاكات SPE على مقياس أقل من واحد من كل 10 تريليون". ويقول إن العمل العلمي للمهمة بدأ في نوفمبر الماضي ، وستظهر النتائج الأولى هذا الصيف.

على الرغم من كل هذه التجارب ذات التقنية العالية ، يواصل Fischbach في العودة بدقة إلى التجارب مع أوزان الالتواء Eötvös. ثم لم يكن لدى المجريين دافع نظري لتوقع ظهور تفاعل خامس ، اعتمادًا على المادة - لا شيء يمكن أن يدفعهم دون وعي إلى تشويه نتائج عملهم الدقيق للغاية. ومع ذلك ، وجدوا شيئًا من هذا القبيل - ليس مبعثرًا عشوائيًا للنتائج ، ولكن انحرافًا منهجيًا. يقول فيشباخ: "ما زلت أفكر ، ربما أفتقد شيئًا بشأن ما فعلوه هناك". "حتى الآن ، لا يزال هذا لغزا."