Das Schicksal der fünften Wechselwirkung in der Physik hängt vom Gleichgewicht ab

"Schauen Sie, Herr Galileo hat alles richtig berechnet." Diese Schlussfolgerung basierte nicht auf dem genauesten Experiment, aber es war eines der spektakulärsten - wie es auf dem Mond stattfand.

1971 ließ David Scott, der Kosmonaut der Apollo 15-Mission, eine Feder und einen Hammer aus einer Höhe fallen und stellte fest, dass sie gleichzeitig die Mondoberfläche erreichten. Die durch die Schwerkraft verursachte Beschleunigung hängt nicht von der Zusammensetzung oder Körpermasse ab, wie Galileo in seinem (apokryphen) Experiment mit dem Schiefen Turm von Pisa erwartet hatte.

Oder kommt es darauf an? Schneller Vorlauf zur Titelseite der New York Times im Januar 1986: " Hinweise auf eine fünfte Macht im Universum verändern Galileos Entdeckungen ." Die Zeitung beschrieb die wissenschaftliche Arbeit der angesehenen Zeitschrift Physical Review Letters, die der Physiker Eframe Fischbach und seine Kollegen durchgeführt hatten. Es wurde nachgewiesen, dass die durch die Schwerkraft verursachte Beschleunigung von der chemischen Zusammensetzung des betreffenden Objekts abhängt. Es stellte sich heraus, dass die Schwerkraft nicht das war, was wir dachten: Ihre Wirkung wird laut den Autoren von dem beeinflusst, was der New York Times-Reporter John Noble Wilford die „fünfte Interaktion“ nannte, und sie zu den vier Kräften hinzufügt, die wir bereits kennen.



In mehr als 30 Jahren wurden viele Experimente durchgeführt, um das Vorhandensein der angeblichen fünften Kraft zu bestätigen. Trotz ihrer extrem hohen Genauigkeit hat keiner einen schlüssigen Beweis für seine Anwesenheit erbracht. Aber die Suche hört nicht auf. Erst im letzten Jahr erschien in Experimenten in der Kernphysik ein neuer verführerischer Hinweis auf die Existenz einer solchen Kraft, der zu neuen Spekulationen und Unruhen führte.

Die Grundprinzipien der modernen Physik hängen im Gleichgewicht. Einige Physiker glauben, dass eine fünfte Kraft möglich und sogar notwendig ist, um die heute existierenden Theorien zu erweitern und zu vereinheitlichen. Andere hoffen, dass eine solche Kraft Licht auf mysteriöse dunkle Materie wirft und alle gewöhnlichen Materien im Universum überwiegt. Wenn es existiert, sagt der Physiker Jonathan Feng von der University of California in Irvine, "würde dies bedeuten, dass unsere Versuche, bekannte Kräfte zu vereinen, verfrüht waren, denn jetzt ist es notwendig, sich auch mit der fünften zu vereinen."

Und warum über eine neue grundlegende Interaktion streiten, wenn er keine Beweise hat? Die anfängliche Motivation war schon in den Tagen von Galileo klar. Die Masse kann auf zwei Arten beschrieben werden. Eines ist die Trägheit: Die Masse eines Objekts ist der Widerstand gegen Bewegung, und je größer die Masse ist, desto größer ist der Widerstand. Das andere ist die Schwerkraft: Nach dem Newtonschen Gravitationsgesetz ist die Anziehungskraft zweier Objekte proportional zum Produkt ihrer Massen geteilt durch das Quadrat des Abstandes zwischen ihnen. Diese Kraft bewirkt, dass der fallende Apfel beschleunigt. Und nur wenn die beiden Definitionen der Masse identisch sind, hängt die Gravitationsbeschleunigung nicht von der Menge der beschleunigten Masse ab.

Aber sind sie identisch? Wenn nicht, fallen unterschiedliche Massen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten unter den Einfluss der Schwerkraft. Die intuitive Idee, dass eine große Masse schneller fallen sollte, inspirierte die Menschen, lange vor Galileo zu testen. Simon Stevin , ein flämischer Naturforscher, warf 1586 Bleikugeln vom Glockenturm in Delft und fand keinen Unterschied in der Zeit, die sie brauchten, um die Erde zu erreichen. Newton selbst testete diese Idee 1680 und maß, ob die Schwingperiode von Pendeln unterschiedlicher Masse, aber gleicher Länge, zusammenfällt - und sie sollten zusammenfallen, wenn die Gravitationsbeschleunigung unabhängig von der Masse ist. Seine Studien wurden 1832 vom deutschen Wissenschaftler Friedrich Wilhelm Bessel genauer wiederholt. Sie fanden keinen offensichtlichen Unterschied.

Die Idee des Zusammentreffens von Trägheits- und Gravitationsmassen ist als " schwaches Äquivalenzprinzip " (SPE) bekannt. Die Frage wurde kritisch, als Einstein 1912-1916 seine allgemeine Relativitätstheorie formulierte , die auf der Idee beruhte, dass sich die Kräfte, die ein Objekt aufgrund der Schwerkraft erfährt, nicht von den Kräften unterscheiden, die aufgrund der Beschleunigung auftreten. Ist dies nicht der Fall, funktioniert GR nicht.

"Das Äquivalenzprinzip ist eine der Grundannahmen der allgemeinen Relativitätstheorie", sagte Stephan Schlamminger, der im Allerheiligsten der Welt der genauen Messungen am Nationalen Institut für Standards und Technologie in Gaithersburg arbeitet. „Und deshalb muss es sorgfältig geprüft werden. Überprüfungen des Äquivalenzprinzips sind relativ billig und einfach, aber das Erkennen eines Verstoßes kann schwerwiegende Folgen haben. Es wäre rücksichtslos, solche Experimente nicht durchzuführen. “

Wenn die SEE fehlschlägt, haben wir zwei Möglichkeiten. Oder der Newtonsche Ausdruck für die Anziehung zweier Massen (in der allgemeinen Relativitätstheorie für nicht sehr große Massen vorhanden) ist etwas ungenau und muss korrigiert werden. Entweder ist alles in Ordnung mit der Schwerkraft, aber es gibt eine neue, fünfte Wechselwirkung, die sie beeinflusst. Die fünfte Wechselwirkung würde zu den vier bereits bekannten hinzugefügt: Schwerkraft, Elektromagnetismus und die starken und schwachen Wechselwirkungen, die die Wechselwirkungen subatomarer Teilchen in den Atomkernen steuern. Modifizierte Schwerkraft oder die fünfte Wechselwirkung - der Unterschied ist laut Fischbach hier semantisch.

Auf jeden Fall sagt Feng: "Es gibt keinen Grund, warum die fünfte Interaktion, die wir vorher nicht bemerkt hatten, nicht existieren konnte."

Als Einstein die PSE mit seiner neuen Gravitationstheorie verband, wurde dieses Prinzip bereits mehrmals akribisch getestet. Ende des 19. Jahrhunderts erkannte der Vertreter des ungarischen Adels, Baron Lorand Ötvös , der an der Universität von Budapest arbeitete, dass er anhand des Gleichgewichts zweier Massen überprüft werden konnte.

Eötvös verwendete Torsionswaagen. Er befestigte zwei Gegenstände an den Enden einer Stange, die an einem Seil hing. Wenn das Gewicht der Objekte gleich ist - das heißt, sie haben die gleiche Gravitationsmasse -, ist der Pol horizontal ausgeglichen. Die Massen erfahren aber auch eine Zentrifugalkraft aufgrund der Rotation der Erde, abhängig von ihrer Trägheitsmasse. Wenn die Trägheitsmasse der Gravitation entspricht, werden alle Kräfte ausgeglichen und der Pol bewegt sich nicht. Andernfalls müssen die Massen aufgrund der Erdrotation von der Horizontalen abweichen.

Und wenn die Abweichung der beiden Massen unterschiedlich ist - wenn beispielsweise die Abweichung von der SPE von der Zusammensetzung der Masse abhängt - erfährt der Pol ein Drehmoment. Selbst wenn die Drehung sehr klein ist, kann sie beispielsweise mit einem Strahl gemessen werden, der von einem an einer Stange montierten Spiegel reflektiert wird.

Tatsache ist jedoch, dass die Schwerkraft auf der Erde je nach Gelände variiert. Unser Planet ist keine glatte und gleichmäßige Kugel. Die Steine ​​haben unterschiedliche Dichten und üben unterschiedliche Gravitationskräfte auf Objekte aus. Aufgrund der Genauigkeit des Eötvös-Experiments könnte sogar das Vorhandensein von nahe gelegenen Universitätsgebäuden die Ergebnisse ruinieren. Eine Möglichkeit, diesen Einfluss zu beseitigen, bestand darin, Messungen in zwei verschiedenen Ausrichtungen des Pols durchzuführen - beispielsweise wenn er von West nach Ost und dann von Nord nach Süd gerichtet ist. In beiden Positionen sollten die Auswirkungen der Schwerkraft gleich wirken, die Zentrifugalkräfte sind jedoch unterschiedlich. Daher führt jede Abweichung von der Ausführung der SPE zu einem Drehmomentunterschied an verschiedenen Positionen des Pols. Dieser Ansatz steht im Einklang mit der Gesamtstrategie für die Durchführung von Experimenten mit Balancern - Sie müssen sich keine Gedanken über lokale Effekte oder die Genauigkeit der Messung von Absolutwerten machen.

Lokale Störungen können sich auch im Laufe der Zeit ändern - selbst ein vorbeifahrender LKW kann einen geringen Gravitationseffekt haben. Die Forscher mussten daran arbeiten, solche Variablen zu eliminieren. Sogar die Anwesenheit eines Experimentators kann einen Unterschied machen. Daher befanden sich ungarische Wissenschaftler in respektvoller Entfernung, während sich der Balancer beruhigte, und eilten dann kopfüber ins Labor, um Messungen vorzunehmen, bis er seine Position wechselte (die Zeitspanne, in der er an der Reihe war, betrug 40 Minuten).

Etvös baute Torsionswaagen, so dass sie zu einem Werk der Feintechnik wurden. An einem Ende der Stange befand sich eine Standardmasse aus Platin, und am anderen Ende wurden andere Materialien befestigt. Die sechs standen auf einem Stativ und konnten sich drehen, um ihre Ausrichtung anzupassen. Polumdrehungen wurden mit einem Teleskop und einem an einer Stange montierten Spiegel verfolgt. Kleine Temperaturunterschiede könnten die Vorrichtung verzerren und eine störende Rotation erzeugen, so dass die gesamte Struktur in einem geschlossenen und isolierten Raum eingeschlossen war. Zur Erhöhung der Genauigkeit führten die Forscher weitere Experimente in einem dunklen Raum durch, damit das Licht nicht zu Temperaturschwankungen führte. Das Gerät selbst befand sich unter einer mit Algen wärmeisolierten Markise.


Spüren Sie die Empörung der Kraft: Eötvös-Torsionsskalen reagierten sehr empfindlich auf ein Drehmoment, das auf das Vorhandensein einer fünften Wechselwirkung hinweisen könnte

Ungarische Wissenschaftler begannen ihre Experimente im Jahr 1889 und fanden keine sichtbare Rotation, die mit einer Abweichung vom Äquivalenzprinzip in Massen verschiedener Materialien mit einer Genauigkeit von 1 Teil pro 20 Millionen verbunden war.

Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts gab es also keinen Grund, an der EIT zu zweifeln. Aber zu dieser Zeit tauchten andere Gründe auf. Zum Beispiel sprach die Entdeckung der Radioaktivität vom Vorhandensein einer unbekannten Energiequelle in Atomen. Darüber hinaus gab Einsteins GRT einen neuen Blick auf Materie und Masse. Es sah so aus, als könnte die Masse in Energie umgewandelt werden - und es hing auch von der Geschwindigkeit ab, die zunahm, wenn sich die Geschwindigkeit des Objekts der Lichtgeschwindigkeit näherte. Vor diesem Hintergrund hat die Königlich Göttingenische Gesellschaft für Wissenschaft in Deutschland 1906 einen Preis von 4.500 Mark für empfindlichere Tests des Äquivalenzprinzips von „Trägheit und Schwerkraft“ vergeben und Eötvös-Experimente als Referenz angeboten.

Auch Atvös selbst konnte der Konkurrenz nicht widerstehen. "Er war ein Weltexperte in solchen Experimenten", sagt Fischbach. Er und seine Schüler Decco Pecar und Geno Fekete staubten ihr Torsionsgleichgewichtsexperiment ab und verbrachten Tausende von Stunden damit, andere Materialien zu überprüfen: Kupfer, Wasser, Asbest, Massivholz usw. Sie schickten ihre Ergebnisse 1909 und behaupteten, die Genauigkeit des Experiments auf 1 Teil von 200 Millionen zu erhöhen. Der vollständige Bericht wurde jedoch nur drei Jahre nach dem Tod von Eötvös im Jahr 1922 veröffentlicht. Ein anderer seiner Schüler, Janos Renner, setzte seine Arbeit fort und veröffentlichte sie 1935, wobei er die Überprüfung des EIT mit einer Genauigkeit von 1 Teil für 2-5 Milliarden ankündigte.

War eine solche Genauigkeit damals wirklich möglich? Der Physiker Robert Dick, ein Spezialist für allgemeine Relativitätstheorie, äußerte Zweifel daran und ging in den 1960er Jahren ein ähnliches Problem an. Unabhängig davon, ob seine Kritik wahr ist, verwendeten er und seine Kollegen komplexere Torsionsskalen und erreichten eine Genauigkeit von einem Teil pro 100 Milliarden. Dies gelang ihnen, indem sie die Beschleunigung von Testmassen nicht nur anhand der Schwerkraft der Erde, sondern auch anhand der Schwerkraft der Sonne maßen. Bei diesem Ansatz war es nicht erforderlich, das Gleichgewicht durch Drehung des Apparats zu stören: Die Richtung der Gravitationsanziehung selbst drehte sich, als sich die Erde in einer Umlaufbahn um die Sonne bewegte. Jede Abweichung von der SPE würde Änderungen im Signal zeigen, die mit der Erdrotationsperiode von 24 Stunden übereinstimmen, was es ermöglichte, nützliche Daten genau von falschen Signalen zu unterscheiden, die aufgrund lokaler Gravitationsänderungen und anderer Faktoren entstanden sind. Dick und seine Kollegen sahen keine Anzeichen einer solchen Abweichung: keine Anzeichen dafür, dass Newtons Gesetz durch die fünfte Wechselwirkung korrigiert werden musste.

Sind die Physiker zufrieden? Und wann sind sie im Allgemeinen glücklich?

Fischbach interessierte sich für die fünfte Interaktion, nachdem er von dem Experiment erfahren hatte, das sein Kollege aus Purdue, Roberto Colelo, und seine Mitarbeiter 1975 durchgeführt hatten. Sie versuchten, Spuren des Einflusses der Newtonschen Schwerkraft auf subatomare Teilchen zu entdecken. Fischbach fragte sich, ob es möglich war, solche Experimente mit subatomaren Partikeln in einer Situation durchzuführen, in der die Schwerkraft stark genug war, um relativistische Effekte zu erzielen, und nicht nur Newtonsche, die die Schwerkraft nicht genau beschrieben. Ein solches Experiment könnte eine völlig neue Möglichkeit bieten, Einsteins Theorie zu testen.

Er begann über die Möglichkeit nachzudenken, exotische Partikel von " Kaonen " und deren Antiteilchen zu verwenden, Antikaons, die in Teilchenbeschleunigern entstehen. Fischbach untersuchte die Kaon-Arbeit am Fermilab-Beschleuniger und begann zu vermuten, dass ihr Verhalten durch eine neue Kraft beeinflusst werden könnte, die auf einen Parameter wie die Baryonenzahl B anspricht .

Diese Eigenschaft grundlegender Teilchen hat im Gegensatz zu Masse oder Energie keine klare alltägliche Bedeutung. Es ist gleich der einfachen Summe der Anzahl noch grundlegenderer Komponenten, Quarks und Antiquarks, aus denen die Protonen und Neutronen in den Atomkernen bestehen. Aber hier ist die Sache: Wenn die neue Kraft von der Baryonenzahl abhängt, sollte sie von der chemischen Zusammensetzung der Materialien abhängen, da verschiedene chemische Elemente unterschiedliche Anzahlen von Protonen und Neutronen haben. Genauer gesagt würde es vom Verhältnis der Zahl B zu den Massen der Atome abhängen, aus denen die Substanz besteht. Dieses Verhältnis sollte auf den ersten Blick konstant sein, da Atommassen aus der Summe von Protonen und Neutronen erhalten werden. Tatsächlich wird jedoch ein kleiner Teil der Gesamtmasse all dieser Komponenten in Energie umgewandelt, die sie zusammenhält und je nach Atom variiert. Jedes Element hat also ein eigenes Verhältnis von B zu Masse.

Zusammensetzungsabhängige Festigkeit. Ist es nicht das, wonach Etvosh gesucht hat? Fischbach beschloss, die Geschichte zurückzuspulen und die Ergebnisse der Experimente des ungarischen Barons sorgfältig zu studieren. Im Herbst 1985 berechneten er und sein Schüler Carrick Talmadge das B / Massen-Verhältnis für die von Atvös verwendeten Substanzen. Was sie entdeckten, überraschte sie selbst.

Das ungarische Team fand extrem kleine Abweichungen für die gemessene Gravitationsbeschleunigung verschiedener Substanzen, aber da es kein klares Schema dieser Abweichungen gab, wurden sie auf Fehler zurückgeführt. Als Fischbach und die Talmadge jedoch Abweichungen in Abhängigkeit vom B / Massen-Verhältnis aufzeichneten, fanden sie eine gerade Linie, die auf eine leichte Abstoßung der Massen hinweist und deren Anziehungskraft verringert.


Fischbach, E. Die fünfte Kraft: Eine persönliche Geschichte. The European Physical Journal H 40, 385-467 (2015).

Die chemische Zusammensetzung der von Etvosh verwendeten Objekte war nicht immer leicht zu rekonstruieren - fünf verschiedene Pflanzenarten werden als Schlangenholzbaum bezeichnet, aber es ist nicht klar, wie die Zusammensetzung des „inneren Schafsfetts“ zu bestimmen ist, aber nach ihren Berechnungen blieb die Beziehung zwischen den Werten bestehen. In einem der überraschendsten Fälle waren die Abweichungen für Platin- und Kupfersulfatkristalle nahezu gleich. Es stellte sich heraus, dass fast alle Eigenschaften dieser Materialien (Dichte usw.) unterschiedlich sind und die B / Massen-Verhältnisse nahezu identisch sind.

Fischbach und die Talmadge präsentierten diese Ergebnisse in ihrem gefeierten Artikel von 1986 mit Hilfe von Peter Buck, einem Postdoc, dessen Deutschkenntnisse es ihm ermöglichten, den Originalbericht des Etvös-Teams von 1922 zu übersetzen. Der Rezensent war Dick, der einige Zweifel äußerte, aber schließlich für die Veröffentlichung stimmte. Später veröffentlichte Dick seine Arbeit und stellte fest, dass die Anomalien bei Eötvös-Messungen durch den Einfluss der Temperatur auf das Gerät erklärt werden können. Es war jedoch immer noch schwierig zu erkennen, wie diese Effekte zu einer so überzeugenden Korrelation mit einer so exotischen Eigenschaft wie der Baryonenzahl führen würden.

Nach der Veröffentlichung schrieben viele über das Werk - nicht nur die New York Times, sondern auch der legendäre Physiker Richard Feynman. Fischbach, den Feynman vier Tage nach der Veröffentlichung des Werkes zu Hause anrief, entschied zunächst sogar, dass es sich um eine Art Scherz handelte. Feynman war von der Entdeckung nicht besonders beeindruckt, wie er sowohl Fischbach als auch der Los Angeles Times erzählte. Seine Reaktion auf die Arbeit spricht jedoch bereits für den Eindruck, den sie bei den Interessenten hinterlassen hat.

"Angesichts der Tatsache, dass unsere Arbeit auf das Vorhandensein einer neuen Interaktion in der Natur hindeutete", schrieb Fischbach, "mag es überraschend erscheinen, dass der Überprüfungsprozess so reibungslos verlief." Es ist möglich, dass diese Glätte auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass es bereits theoretische und experimentelle Gründe gab, die Existenz einer fünften Wechselwirkung zu vermuten.

1955 interessierten sich die amerikanischen Physiker chinesischer Herkunft, Li Zhengdao und Yang Zhennin , die zwei Jahre später den Nobelpreis für Arbeiten zur Wechselwirkung grundlegender Teilchen erhielten, für die Idee einer neuen Wechselwirkung in Abhängigkeit von der Baryonenzahl und verwendeten sogar die Arbeit von Etvosh, um auf Einschränkungen ihrer Stärke hinzuweisen. Lee traf sich nur eine Woche nach der Veröffentlichung seiner Arbeit mit Fischbach und gratulierte ihm dazu.

Darüber hinaus haben in den 1970er Jahren zwei Geophysiker aus Australien, Frank Stacy und Gary So, die Gravitationskonstante in einer tiefen Mine sehr genau gemessen, wodurch das Verhältnis von Massen und Kräften in der Newtonschen Gleichung der Gravitationsanziehung bestimmt wird. Sie erhielten einen Wert, der sich stark von dem unterschied, der zuvor in den Labors erhalten wurde. Diese Diskrepanz könnte unter anderem durch die Einführung einer neuen Kraft erklärt werden, die in einer Entfernung von mehreren Kilometern arbeitet. Die Messungen von Stacy und Taka wurden teilweise von der Arbeit des japanischen Physikers Yasunori Fujii aus den frühen 1970er Jahren inspiriert, der die Möglichkeit einer nicht-Newtonschen Schwerkraft untersuchte.

Nach 1986 ging die Jagdsaison weiter.Wenn die fünfte Wechselwirkung in Entfernungen von zehn und Hunderten von Metern wirkt, können Abweichungen von den durch die Newtonsche Schwerkraft vorhergesagten Werten festgestellt werden, wenn Objekte in großer Höhe von der Erdoberfläche fallen. In den späten 1980er Jahren ein Team vom US Air Force Laboratory in Hensky in Bedford. Massachusetts maß die Gravitationsbeschleunigung mit einem 600-Meter-Fernsehturm in North Carolina und berichtete von Anzeichen einer „sechsten Wechselwirkung“, die im Gegensatz zur Fischbach-Abstoßung die Schwerkraft zu verstärken schien. Nach einer gründlichen Analyse der Arbeit wurden diese Aussagen jedoch abgelehnt.

Die gründlichste Untersuchung wurde an der Universität von Washington in Seattle von einem Team von Physikern durchgeführt, die beschlossen, mit Worten zu spielen, und zwar aufgrund des Klangs des ungarischen Familiennamens Eőtvős, der den Namen Eot-Wash annahm. Der Kernphysiker Eric Adelberger beteiligte sich an ihrer Arbeit. Bis dahin „war er der beste Experimentator der Welt auf dem Gebiet der Abweichungen von den Newtonschen Gravitationsvorhersagen“, wie Fischbach sagte. Das Eot-Wash-Team verwendete hochmoderne Torsionswaagen und traf viele Vorsichtsmaßnahmen, um mögliche Artefakte zu beseitigen. Sie haben nichts gefunden.

Eines der denkwürdigsten und vielversprechendsten Experimente begann unmittelbar nach der Ankündigung im Jahr 1986 und wurde von Peter Tiberger vom Brookhaven National Laboratory in Upton, PC, durchgeführt. New York. In seinem Experiment schwebte eine hohle Kupferkugel in einem Wassertank über einer Klippe. 1987 berichtete Tiberger, dass sich die Kugel ständig in Richtung einer Klippe bewegte, wo die Anziehungskraft des sie umgebenden Steins geringer war - genau dieses Verhalten war zu erwarten, wenn eine abstoßende Kraft gegen die Schwerkraft vorhanden war. Und dies war der einzige Beweis für die Existenz der fünften Interaktion, die in einer berühmten wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht wurde. Warum führte dieses Experiment zu einem solchen Ergebnis? Niemand weiß es bisher. "Es ist unklar, was genau mit Tibergers Experiment falsch war und ob dort überhaupt etwas nicht stimmte", schrieb Fischbach.

Bis 1988 hatte Fischbach bereits 45 Experimente gezählt, um nach einer fünften Wechselwirkung zu suchen. Aber nach fünf Jahren zeigte nur Tibergers Experiment etwas Ähnliches wie sie. Zu Ehren des Jahrzehnts der Arbeit im Jahr 1986 gab Fischbach zu: „Derzeit gibt es keine überzeugenden experimentellen Beweise für Abweichungen von den Newtonschen Gravitationsvorhersagen. Das Überwiegen vorhandener experimenteller Daten entspricht nicht dem Vorhandensein neuer Wechselwirkungen über mittlere oder große Entfernungen. “

Es schien, wie Fischbach traurig formulierte, dass er der Entdecker von etwas Nicht-Existierendem geworden war. Die allgemeine Stimmung wurde von dem Physiker Lawrence Kraus eingefangen, der damals an der Yale University arbeitete und als Reaktion auf seinen Job von 1986 offiziell ein Zeichenspiel an die Physical Review Letters schickte, in dem er angeblich Galileos Experimente mit der Beschleunigung von Bällen, die den im Buch beschriebenen Hügel hinunter rollen, erneut analysierte 1638, "Mathematische Beweise in Bezug auf zwei neue Wissenschaftszweige in Bezug auf Mechanik und lokale Bewegung", und angeblich entdeckte Beweise für eine "dritte Wechselwirkung" (zusätzlich zu Schwerkraft und Elektromagnetismus). Die Zeitschrift lehnte die Arbeit ab und formulierte eine Ablehnung im Geiste der Arbeit selbst: auf der Grundlage, dass sechs Rezensionen dieser Arbeit vom Autor selbst klar verfasst wurden.

Nach mehreren Jahrzehnten universeller Nichterkennung der fünften Interaktion kann entschieden werden, dass das Spiel beendet ist. Aber Physiker suchen nach Wegen, um die Grundlagen ihrer Wissenschaft zu erweitern, und deshalb erscheint der Wunsch, an die Existenz der fünften Wechselwirkung zu glauben, immer attraktiver, und dafür gibt es immer mehr Gründe. „Jetzt finden Sie Tausende von Werken, die neue grundlegende Wechselwirkungen beschreiben, die die Quelle des fünften sein könnten“, sagt Fischbach. "Mehr als genug theoretische Motivation."

Zum Beispiel bieten spätere Theorien, die versuchen, die Physik über das „Standardmodell“ hinaus zu erweitern, das alle bekannten Teilchen und ihre Wechselwirkungen beschreibt, mehrere Möglichkeiten für neue Wechselwirkungen und versuchen, die nächste Ebene der Realität aufzudecken. Einige von ihnen sagen die Existenz von Teilchen voraus, die als Träger bisher unbekannter Wechselwirkungen fungieren können, genau wie die elektromagnetischen, starken und schwachen Wechselwirkungen mit Trägerteilchen wie einem Photon verbunden sind.

Eine Gruppe von Modellen, die eine Abweichung von der Newtonschen Schwerkraft vorhersagen, wird als modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) bezeichnet. Sie versuchen, einige Merkmale der Bewegung von Sternen in Galaxien zu erklären, die normalerweise mit Hilfe einer hypothetischen "dunklen Materie" erklärt werden, die nur (oder fast nur) durch die Schwerkraft mit dem Gewöhnlichen interagiert. Es gibt noch keine Beweise für MOND-Modelle, aber einige Physiker finden sie zunehmend attraktiv, da die aktive Suche nach Partikeln der dunklen Materie zu nichts führt.

Laut Feng kann uns die fünfte Interaktion außerdem helfen, dunkle Materie zu sortieren. Soweit wir wissen, interagiert es nur durch die Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie. Aber wenn sie plötzlich die fünfte Interaktion spürt, "kann sie uns eine Art 'Portal' bieten, durch das wir endlich mit dunkler Materie interagieren können, nicht nur mit Hilfe der Schwerkraft, und verstehen, was es ist."

Darüber hinaus sagen einige Theorien, die mehr als drei uns bekannte Messungen verwenden - zum Beispiel die beliebtesten Versionen der Stringtheorie von Physikern - voraus, dass in Abständen von bis zu einem Millimeter Kräfte auftreten können, die der Schwerkraft ähnlich sind, diese jedoch deutlich überschreiten.

Genau diese Größenordnung erforschen Wissenschaftler jetzt. Und das bedeutet, Kräfte mit äußerster Genauigkeit zu messen, die zwischen kleinen Massen wirken, die durch sehr kleine Abstände voneinander getrennt sind. Vor drei Jahren nahmen Fischbach und seine Kollegen Messungen mit Partikeln in Abständen von 40 bis 8.000 ppm auf. Das Problem bei solchen Messungen ist, dass zwischen solchen nahen Objekten aufgrund des Casimir-Effekts eine Anziehungskraft entsteht . Seine Natur ist die gleiche wie die der Kräfte von van der Waalsin noch kürzeren Abständen arbeiten und Moleküle miteinander verbinden. Sie entstehen durch die synchrone Bewegung von Elektronenwolken in Objekten, die aufgrund des Vorhandenseins einer Ladung auf den Elektronen zu einer elektrostatischen Anziehung führt. Der Casimir-Effekt ist das, was Van-der-Waals-Kräfte werden, wenn Objekte weit genug voneinander entfernt sind - um mehr als einige Nanometer -, so dass die Zeitverzögerung bei Elektronenschwankungen eine Rolle spielt.

Fischbach und seine Kollegen fanden einen Weg, den Casimir-Effekt zu unterdrücken, indem sie ihn millionenfach reduzierten und die Testmassen mit einer Goldschicht bedeckten. Sie befestigten eine vergoldete Saphirkugel mit einem Radius von 1 / 150.000 mm an der Platte, deren Bewegungen elektronisch gesteuert werden können. Dann organisierten sie die Rotation der mikroskopischen Scheibe mit Bereichen, die mit Gold und Silizium bedeckt waren, direkt unter der Kugel. Wenn es einen Unterschied in der Wechselwirkung zwischen Gold und Silizium gibt, sollte dies zu einer Vibration der Kugel führen. Es wurde kein solcher Effekt gefunden, was impliziert, dass die mögliche Stärke der fünften Wechselwirkung in Abhängigkeit vom Material im mikroskopischen Maßstab noch stärker eingeschränkt werden kann.

In solchen Experimenten können Sie Torsionsskalen verwenden. Forscher des Cosmic Ray Research Institute der Universität Tokio haben mit einem solchen Gerät nach Abweichungen vom Standard-Casimir-Effekt aufgrund der fünften Wechselwirkung gesucht. Bisher haben sie nur strengere Einschränkungen für die Stärke dieser Wechselwirkung festgestellt.

Neben der direkten Erfassung der fünften Wechselwirkung ist es immer noch möglich, sie so zu finden, wie es Fischbach ursprünglich wollte: durch energiereiche Kollisionen grundlegender Teilchen. 2015 berichtete ein Team des Instituts für Kernforschung in Debrecen, Ungarn, unter der Leitung von Attila Krasznahorkay, über unerwartete Ergebnisse eines Experiments. Die instabile Form von Berylliumatomen, die durch Protonenbeschuss einer Lithiumfolie erhalten wird, zerfällt und emittiert Elektronenpaare und deren Antiteilchen, Positronen. Die Anzahl der von der Probe in einem Winkel von 140 Grad freigesetzten Elektron-Positron-Paare übertraf andere Indikatoren, die Standardtheorien der Kernphysik nicht erklären können.

Diese Ergebnisse wurden tatsächlich ignoriert, bis Feng und Kollegen im letzten Jahr vorschlugen, dass sie durch das Auftreten eines neuen Wechselwirkungsteilchens im Experiment erklärt werden könnten, das schnell in ein Elektron und ein Positron zerfällt. Mit anderen Worten, dieses Teilchen kann in kurzer Entfernung, in mehreren Billionstel Millimetern, ein Träger der fünften Wechselwirkung sein.

Andere Forscher haben diese Erfahrung noch nicht reproduziert, aber die Ergebnisse ungarischer Wissenschaftler sehen zuverlässig aus. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um eine zufällige statistische Fluktuation handelt, ist gering: 1 von 100 Milliarden. „Darüber hinaus stimmen die Daten perfekt mit der Hypothese überein, die das neue Partikel berücksichtigt“, sagt er. "Wenn es existiert, kann es so gefunden werden." Schleminger stimmt zu, dass die Interpretation der ungarischen Beobachtungen von Feng „eines der faszinierendsten Dinge war, die 2016 passiert sind“.

"Wir müssen die Existenz eines neuen Teilchens noch bestätigen", gibt Feng zu, "aber eine solche Bestätigung wäre revolutionär, es wäre die größte Entdeckung in der Teilchenphysik in den letzten 40 Jahren." Seine theoretische Arbeit sagt voraus, dass sein vermeintliches Teilchen nur 33 Mal schwerer ist als ein Elektron. In diesem Fall wäre es recht einfach, bei Partikelkollisionen zu erhalten - aber es ist schwer zu erkennen. „Es interagiert sehr schwach und wir haben gezeigt, dass es nicht in allen vorherigen Experimenten nachgewiesen worden wäre“, sagt Feng. Vielleicht können Sie es beim Large Hadron Collider am CERN suchen.

Die Hypothese der Existenz der fünften Wechselwirkung ist also keineswegs erschöpft. Wir können sagen, dass alle Beobachtungen in der Grundlagenphysik oder Kosmologie, die nicht durch bestehende Theorien erklärt werden können - durch das Standardmodell oder GR -, Physiker dazu bringen sollten, über neue Wechselwirkungen oder neue Arten von Materie wie Dunkle Materie und Dunkle Energie nachzudenken. So hat die Physik immer funktioniert: Wenn alles andere nicht passt, platzieren Sie eine neue Figur auf dem Brett und beobachten, wie sie sich bewegt. Natürlich haben wir noch keine überzeugenden Beweise für die Existenz der fünften Wechselwirkung gesehen, aber niemand hat direkte Beweise für dunkle Materie, Supersymmetrie oder zusätzliche Messungen beobachtet, aber sie wurden gesucht. Wir haben bereits viele Gebiete ausgeschlossen, in denen die fünfte Interaktion hätte stattfinden können.aber ein weites Gebiet blieb unerforscht.


Einschränkungen der möglichen Stärke der fünften Wechselwirkung α auf großen (links) und kleinen (rechts) Skalen. Gelbe Bereiche zeigen ausgeschlossene Zonen an, und Randbeschriftungen beziehen sich auf einzelne Experimente. Die gestrichelten Linien in kleinen Maßstäben zeigen die möglichen Größen der fünften Wechselwirkung, die von verschiedenen Theorien vorhergesagt wird.

In jedem Fall wird die Suche fortgesetzt. Im April 2016 hat die Europäische Raumfahrtagentur ein Französisch Satelliten - Mikroskop, die das schwache Prinzip der Äquivalenz im Raum mit beispielloser Genauigkeit testen sollte. Er verwendet zwei Zylinderpaare, die im freien Fall ineinander eingesetzt werden: Ein Paar besteht aus derselben Legierung aus Platin und Rhodium, das andere Paar aus einem Außenzylinder aus einer leichteren Legierung aus Titan-Vanadium-Aluminium. Wenn die Zylinder je nach Material mit einer Geschwindigkeit fallen - und Abweichungen vom SES 1 Bruchteil pro tausend Billionen erreichen (was 100-mal weniger ist als auf der Erde gemessen werden kann), können sie mit elektronischen Sensoren bestimmt werden.

"Stringtheoretische Modelle sagen SPE-Verstöße auf einer Skala von weniger als einer von 10 Billionen voraus", sagte Joel Berge, Wissenschaftler am französischen Luft- und Raumfahrtforschungszentrum von ONERA, der für das Mikroskopprojekt verantwortlich ist. Er sagt, die wissenschaftliche Arbeit der Mission habe im vergangenen November begonnen, und die ersten Ergebnisse werden in diesem Sommer veröffentlicht.

Trotz all dieser Hightech-Experimente kehrt Fischbach immer wieder genau zu den Experimenten mit Eötvös-Torsionsgewichten zurück. Dann hatten die Ungarn keine theoretische Motivation, je nach Material das Auftreten einer fünften Interaktion zu erwarten - nichts, was sie unbewusst dazu veranlassen könnte, die Ergebnisse ihrer äußerst genauen Arbeit zu verfälschen. Und doch fanden sie so etwas - keine zufällige Streuung der Ergebnisse, sondern eine systematische Abweichung. „Ich denke immer wieder, vielleicht fehlt mir etwas an dem, was sie dort gemacht haben“, sagt Fischbach. "Bisher bleibt dies ein Rätsel."