Nasib interaksi kelima dalam fisika tergantung pada keseimbangan

"Dengar, Tuan Galileo telah menghitung semuanya dengan benar." Kesimpulan ini tidak didasarkan pada percobaan yang paling akurat, tapi itu salah satu yang paling spektakuler - seperti yang terjadi di bulan.

Pada tahun 1971, kosmonot misi Apollo 15, David Scott menjatuhkan bulu dan palu dari satu ketinggian dan menemukan bahwa mereka secara bersamaan mencapai permukaan bulan. Akselerasi yang diberikan oleh gravitasi tidak bergantung pada komposisi atau massa tubuh, seperti yang diharapkan Galileo dalam eksperimennya (apokripph) dengan Menara Miring Pisa.

Atau apakah itu tergantung? Maju cepat ke halaman depan The New York Times pada Januari 1986: " Petunjuk kekuatan kelima di alam semesta mengubah penemuan Galileo ." Surat kabar itu menggambarkan karya ilmiah dari jurnal Physical Review Letters yang dihormati, yang dilakukan oleh fisikawan Eframe Fischbach dan rekan-rekannya. Ini memberikan bukti bahwa percepatan yang diberikan oleh gravitasi tergantung pada komposisi kimia objek yang dimaksud. Ternyata gravitasi bukanlah yang kami pikirkan: efeknya, menurut penulis, dipengaruhi oleh apa yang oleh wartawan The New York Times John Noble Wilford sebut sebagai "interaksi kelima", menambahkannya ke empat kekuatan yang sudah kita ketahui.



Lebih dari 30 tahun, banyak percobaan telah dilakukan untuk mengkonfirmasi keberadaan kekuatan kelima yang diduga. Meskipun akurasi mereka sangat tinggi, tidak ada yang memberikan bukti konklusif tentang kehadirannya. Namun pencarian tidak berhenti. Hanya tahun lalu, petunjuk baru yang menggoda tentang keberadaan kekuatan semacam itu muncul dalam eksperimen dalam fisika nuklir, yang menyebabkan spekulasi dan keresahan baru.

Prinsip dasar fisika modern bergantung pada keseimbangan. Beberapa fisikawan percaya bahwa kekuatan kelima adalah mungkin, dan bahkan perlu, untuk memperluas dan menyatukan teori-teori yang ada saat ini. Yang lain berharap bahwa kekuatan semacam itu akan menjelaskan materi gelap yang misterius, melebihi semua materi biasa di alam semesta. Jika itu ada, kata fisikawan Jonathan Feng dari University of California, Irvine, "itu berarti bahwa upaya kami untuk menyatukan kekuatan-kekuatan terkenal adalah prematur, karena sekarang perlu untuk bersatu dengan yang kelima juga."

Dan mengapa berdebat tentang interaksi fundamental baru, jika dia tidak memiliki bukti? Motivasi awal jelas bahkan pada zaman Galileo. Massa dapat digambarkan dalam dua cara. Pertama adalah inersia: massa suatu benda adalah resistensi terhadap gerakan, dan semakin besar massa, semakin besar pula resistansi tersebut. Yang lainnya adalah gravitasi: menurut hukum gravitasi Newton, gaya tarik yang dialami oleh dua benda sebanding dengan produk massa mereka dibagi dengan kuadrat jarak antara mereka. Kekuatan ini menyebabkan apel jatuh untuk mempercepat. Dan hanya jika dua definisi massa identik, percepatan gravitasi tidak tergantung pada jumlah massa dipercepat.

Tetapi apakah mereka identik? Jika tidak, maka massa yang berbeda akan jatuh di bawah pengaruh gravitasi pada kecepatan yang berbeda. Gagasan intuitif bahwa massa besar harus jatuh lebih cepat menginspirasi orang untuk menguji jauh sebelum Galileo. Simon Stevin , seorang naturalis Flemish, melemparkan bola timah dari menara jam di Delft pada tahun 1586, dan tidak menemukan perbedaan waktu yang diperlukan untuk mencapai bumi. Newton sendiri menguji ide ini pada 1680, mengukur apakah periode ayunan pendulum massa berbeda, tetapi dengan panjang yang sama, bertepatan - dan mereka harus bertepatan jika percepatan gravitasi tidak tergantung pada massa. Studinya diulangi dengan akurasi yang lebih besar oleh ilmuwan Jerman Friedrich Wilhelm Bessel pada 1832. Mereka tidak menemukan perbedaan yang nyata.

Gagasan tentang kebetulan massa inersia dan gravitasi dikenal sebagai " prinsip kesetaraan yang lemah " (SPE). Pertanyaan menjadi kritis ketika Einstein merumuskan teori relativitas umum pada 1912-1916, berdasarkan pada gagasan bahwa gaya-gaya yang dialami oleh suatu benda karena gravitasi tidak berbeda dari gaya-gaya yang dialami karena akselerasi. Jika tidak, maka GR tidak akan berfungsi.

"Prinsip kesetaraan adalah salah satu asumsi dasar relativitas umum," kata Stephan Schlamminger, yang bekerja di tempat kudus dunia pengukuran akurat, di Institut Nasional Standar dan Teknologi di Gaithersburg. “Dan karena itu harus diperiksa dengan cermat. Pemeriksaan pada prinsip kesetaraan relatif murah dan sederhana, tetapi mendeteksi pelanggaran dapat memiliki konsekuensi serius. Akan ceroboh untuk tidak melakukan eksperimen seperti itu. "

Jika SEE gagal, kami akan memiliki dua opsi. Atau ungkapan Newton untuk daya tarik dua massa (hadir dalam relativitas umum untuk massa yang tidak terlalu besar) sedikit tidak akurat, dan perlu diperbaiki. Baik semuanya sesuai dengan gravitasi, tetapi ada interaksi baru kelima yang memengaruhinya. Interaksi kelima akan ditambahkan ke empat yang sudah kita ketahui: gravitasi, elektromagnetisme, dan interaksi kuat dan lemah yang mengendalikan interaksi partikel subatom di inti atom. Gravitasi yang dimodifikasi atau interaksi kelima - perbedaannya di sini, menurut Fischbach, adalah semantik.

Bagaimanapun, Feng berkata, "tidak ada alasan mengapa interaksi kelima yang tidak kami perhatikan sebelumnya tidak mungkin ada."

Pada saat Einstein menghubungkan PSE dengan teori gravitasi barunya, prinsip ini telah diuji dengan cermat beberapa kali. Pada akhir abad ke-19, perwakilan bangsawan Hongaria, Baron Lorand Ötvös , yang bekerja di Universitas Budapest, menyadari bahwa ia dapat diperiksa menggunakan keseimbangan dua massa.

Eötvös menggunakan timbangan torsi. Dia menempelkan dua benda ke ujung tiang yang tergantung di tali. Jika berat benda adalah sama - yaitu, mereka memiliki massa gravitasi yang sama - maka kutub diseimbangkan secara horizontal. Tetapi massa juga mengalami gaya sentrifugal karena rotasi Bumi, tergantung pada massa inersia mereka. Jika massa inersia setara dengan gravitasi, maka semua gaya akan seimbang, dan kutub tidak akan bergerak. Kalau tidak, massa harus menyimpang dari horizontal karena rotasi Bumi.

Dan jika penyimpangan kedua massa berbeda - misalnya, jika penyimpangan dari SPE tergantung pada komposisi massa - maka tiang akan mengalami torsi. Sekalipun rotasinya sangat kecil, ia dapat diukur, misalnya, menggunakan sinar yang dipantulkan dari cermin yang dipasang pada sebuah tiang.

Tetapi kenyataannya adalah bahwa gaya gravitasi di Bumi bervariasi tergantung pada medan. Planet kita bukanlah bidang yang halus dan seragam. Batu-batu memiliki kepadatan yang berbeda, dan mereka mengerahkan gaya gravitasi yang berbeda pada benda. Karena keakuratan percobaan Eötvös, bahkan keberadaan gedung universitas terdekat dapat merusak hasilnya. Salah satu cara untuk menghilangkan pengaruh ini adalah dengan melakukan pengukuran dalam dua orientasi kutub yang berbeda - misalnya, ketika diarahkan dari barat ke timur, dan kemudian dari utara ke selatan. Di kedua posisi, efek gravitasi harus bekerja sama, tetapi gaya sentrifugal akan berbeda - oleh karena itu, setiap penyimpangan dari pelaksanaan SPE akan menghasilkan perbedaan torsi di berbagai posisi kutub. Pendekatan ini konsisten dengan strategi keseluruhan untuk melakukan percobaan dengan penyeimbang - tidak perlu khawatir tentang efek lokal atau keakuratan mengukur nilai absolut.

Gangguan lokal juga dapat berubah seiring waktu - bahkan truk yang lewat dapat memiliki efek gravitasi kecil. Para peneliti harus berupaya menghilangkan variabel-variabel tersebut. Bahkan kehadiran seorang eksperimen dapat membuat perbedaan. Oleh karena itu, para ilmuwan Hungaria berada pada jarak yang terhormat sementara penyeimbang menjadi tenang, dan kemudian dengan cepat bergegas ke laboratorium untuk mengambil bacaan sampai ia mengubah posisi (periode gilirannya adalah 40 menit).

Etvös membangun timbangan torsi sehingga menjadi karya rekayasa halus. Di salah satu ujung tiang adalah massa standar platinum, dan bahan lainnya diikat di ujung lainnya. Keenamnya berdiri di atas tripod, mampu berputar untuk menyesuaikan orientasinya. Belokan tiang dilacak menggunakan teleskop dan cermin yang dipasang pada sebuah tiang. Perbedaan suhu yang kecil dapat mendistorsi peralatan dan membuat rotasi palsu, sehingga seluruh struktur tertutup di ruang tertutup dan terisolasi. Untuk akurasi yang lebih besar, para peneliti melakukan percobaan lebih lanjut di ruangan gelap sehingga cahaya tidak menyebabkan fluktuasi suhu. Perangkat itu sendiri berada di bawah tenda yang secara termal diisolasi dengan ganggang.


Rasakan kemarahan kekuatan: skala torsi Eötvös sangat sensitif terhadap momen balik, yang dapat menunjukkan adanya interaksi kelima

Ilmuwan Hungaria memulai percobaan mereka pada tahun 1889, dan tidak menemukan rotasi yang terlihat terkait dengan penyimpangan dari prinsip kesetaraan dalam massa beberapa bahan yang berbeda dengan akurasi 1 bagian per 20 juta.

Jadi, pada akhir abad ke-19 tidak ada alasan untuk meragukan EIT. Tetapi pada saat ini alasan lain mulai muncul. Sebagai contoh, penemuan radioaktivitas berbicara tentang keberadaan sumber energi yang tidak diketahui di dalam atom. Terlebih lagi, Einstein GRT memberi pandangan baru pada materi dan massa. Itu tampak seperti massa dapat diubah menjadi energi - dan juga itu tergantung pada kecepatan, meningkat ketika kecepatan benda mendekati kecepatan cahaya. Dengan semua ini dalam pikiran, pada tahun 1906 Göttingen Royal Scientific Society di Jerman melembagakan 4.500 tanda untuk tes yang lebih sensitif dari prinsip kesetaraan "inersia dan gravitasi", menawarkan eksperimen Eötvös sebagai referensi.

Bahkan Atvös sendiri tidak bisa menolak persaingan. "Dia adalah pakar dunia dalam eksperimen semacam itu," kata Fischbach. Dia dan murid-muridnya, Decco Pecar dan Geno Fekete, membersihkan percobaan keseimbangan torsi mereka dan menghabiskan ribuan jam memeriksa bahan-bahan lain: tembaga, air, asbes, kayu solid, dll. Mereka mengirim temuan mereka pada tahun 1909, mengklaim untuk meningkatkan akurasi percobaan menjadi 1 bagian dalam 200 juta. Tetapi laporan lengkapnya diterbitkan hanya tiga tahun setelah kematian Eötvös, pada tahun 1922. Murid-muridnya yang lain, Janos Renner, melanjutkan pekerjaannya dan menerbitkannya pada tahun 1935, mengumumkan verifikasi EIT dengan akurasi 1 bagian untuk 2-5 miliar.

Apakah akurasi seperti itu benar-benar mungkin? Fisikawan Robert Dick, seorang spesialis relativitas umum, menyatakan keraguan tentang hal ini, menangani masalah yang sama pada 1960-an. Terlepas dari apakah kritiknya benar, ia dan rekan-rekannya menggunakan skala torsi yang lebih kompleks dan mencapai presisi satu bagian per 100 miliar. Mereka berhasil melakukan ini dengan mengukur percepatan massa uji tidak hanya oleh gravitasi Bumi, tetapi juga oleh gravitasi Matahari. Dengan pendekatan ini, tidak perlu mengganggu keseimbangan dengan rotasi peralatan: arah gaya tarik gravitasi itu sendiri berputar ketika Bumi bergerak dalam orbit di sekitar Matahari. Setiap penyimpangan dari SPE akan menunjukkan perubahan dalam sinyal, konsisten dengan periode rotasi Bumi 24 jam, yang memungkinkan untuk secara akurat membedakan data yang berguna dari sinyal palsu yang muncul karena perubahan gravitasi lokal dan faktor lainnya. Dick dan rekan-rekannya tidak melihat tanda-tanda penyimpangan seperti itu: tidak ada tanda-tanda bahwa hukum Newton perlu dikoreksi oleh interaksi kelima.

Apakah fisikawan puas? Dan kapan mereka umumnya bahagia?

Fischbach menjadi tertarik pada interaksi kelima setelah dia mendengar tentang percobaan yang dilakukan oleh rekannya dari Purdue, Roberto Colelo dan rekan-rekannya pada tahun 1975. Mereka mencoba mendeteksi jejak pengaruh gravitasi Newton pada partikel subatom. Fischbach bertanya-tanya apakah mungkin untuk melakukan eksperimen dengan partikel subatomik dalam situasi di mana gravitasi cukup kuat untuk munculnya efek relativistik, dan bukan hanya Newtonian yang tidak secara akurat menggambarkan gravitasi. Eksperimen semacam itu dapat menawarkan cara yang sama sekali baru untuk menguji teori Einstein.

Dia mulai mempertimbangkan kemungkinan menggunakan partikel eksotis " kaon ", dan antipartikelnya, antikaon yang muncul dalam akselerator partikel. Mempelajari pekerjaan kaon yang dilakukan di akselerator Fermilab, Fischbach mulai curiga bahwa perilaku mereka mungkin dipengaruhi oleh kekuatan baru, peka terhadap parameter seperti nomor baryon , B.

Sifat partikel fundamental ini, tidak seperti massa atau energi, tidak memiliki makna sehari-hari yang jelas. Ini sama dengan jumlah sederhana dari jumlah komponen yang bahkan lebih mendasar, quark dan antiquark yang membentuk proton dan neutron dalam inti atom. Tetapi ada satu hal: jika gaya baru tergantung pada jumlah baryon, itu harus tergantung pada komposisi bahan kimia, karena elemen kimia yang berbeda memiliki jumlah proton dan neutron yang berbeda. Lebih tepatnya, itu akan tergantung pada rasio nomor B dengan massa atom yang menyusun zat tersebut. Sepintas, perbandingan ini harus konstan, karena massa atom diperoleh dari jumlah proton dan neutron. Tetapi pada kenyataannya, sebagian kecil dari massa total semua komponen ini diubah menjadi energi, yang mengikat mereka bersama-sama, dan bervariasi tergantung pada atom. Jadi setiap elemen memiliki rasio unik B sendiri terhadap massa.

Kekuatan yang bergantung pada komposisi. Bukankah itu yang dicari Etvosh? Fischbach memutuskan untuk memundurkan sejarah dan dengan hati-hati mempelajari hasil eksperimen baron Hongaria. Pada musim gugur 1985, ia dan muridnya Carrick Talmadge menghitung rasio B / massa untuk zat yang digunakan oleh Atvös. Apa yang mereka temukan mengejutkan mereka sendiri.

Tim Hongaria menemukan penyimpangan yang sangat kecil untuk percepatan gravitasi terukur dari berbagai zat, tetapi, dengan tidak adanya skema yang jelas dari penyimpangan ini, mereka dikaitkan dengan kesalahan. Tetapi ketika Fischbach dan Talmadge merencanakan penyimpangan tergantung pada rasio B / massa, mereka menemukan garis lurus, menunjukkan adanya sedikit tolakan massa, mengurangi daya tarik gravitasi mereka.


Fischbach, E. Kekuatan kelima: Sejarah pribadi. The European Physical Journal H 40, 385-467 (2015).

Komposisi kimia dari benda-benda yang digunakan oleh Etvosh tidak selalu mudah direkonstruksi - lima spesies tanaman yang berbeda disebut pohon kayu ular, tetapi tidak jelas bagaimana menentukan komposisi "lemak domba interior" —tapi menurut perhitungan mereka, hubungan antara nilai-nilai tetap ada. Dalam salah satu kasus yang paling mengejutkan, penyimpangan untuk kristal platinum dan tembaga sulfat hampir sama. Ternyata hampir semua sifat material ini (kepadatan, dll.) Berbeda, dan rasio B / massa hampir identik.

Fischbach dan Talmadge mempresentasikan temuan ini dalam artikel mereka yang terkenal pada tahun 1986, dengan bantuan Peter Buck, seorang postdoc yang kemampuan berbahasa Jermannya memungkinkan dia untuk menerjemahkan laporan asli tim Etvös dari tahun 1922. Peninjau adalah Dick, yang menyatakan beberapa keraguan, tetapi akhirnya memilih untuk publikasi. Dick kemudian menerbitkan karyanya, yang menyatakan bahwa anomali dalam pengukuran Eötvös dapat dijelaskan oleh efek suhu pada perangkat. Tapi itu masih cukup sulit untuk melihat bagaimana efek ini akan mengarah pada korelasi yang meyakinkan dengan properti eksotis seperti jumlah baryon.

Setelah publikasi, banyak yang menulis tentang karya tersebut - tidak hanya The New York Times, tetapi juga fisikawan legendaris Richard Feynman. Fischbach, yang dipanggil Feynman ke rumah empat hari setelah publikasi karya itu, pada awalnya bahkan memutuskan bahwa itu semacam tipuan. Feynman tidak terlalu terkesan dengan penemuan itu, seperti yang ia katakan kepada Fischbach dan Los Angeles Times. Tapi reaksinya terhadap karya sudah berbicara tentang kesan yang dibuatnya pada pihak yang berkepentingan.

"Mengingat bahwa pekerjaan kami mengisyaratkan adanya interaksi baru di alam," tulis Fischbach, "mungkin tampak mengejutkan bahwa proses peninjauan berjalan begitu lancar." Ada kemungkinan bahwa kelancaran ini disebabkan oleh fakta bahwa sudah ada alasan teoritis dan eksperimental untuk mencurigai adanya interaksi kelima.

Pada tahun 1955, fisikawan Amerika asal Cina, Li Zhengdao dan Yang Zhennin , yang berbagi Hadiah Nobel untuk bekerja pada interaksi partikel fundamental dua tahun kemudian, tertarik pada gagasan untuk memiliki interaksi baru, tergantung pada jumlah baryon, dan bahkan menggunakan karya Etvosh untuk menunjukkan batasan kekuatannya. Lee bertemu dengan Fischbach hanya seminggu setelah publikasi karyanya dan mengucapkan selamat kepadanya atas hal ini.

Terlebih lagi, pada tahun 1970-an, dua ahli geofisika dari Australia, Frank Stacy dan Gary So, dengan sangat akurat mengukur konstanta gravitasi di sebuah tambang yang dalam, yang menentukan rasio massa dan gaya dalam persamaan gaya gravitasi Newton. Mereka mendapat nilai yang sangat berbeda dari yang sebelumnya diperoleh di laboratorium. Perbedaan ini dapat dijelaskan, antara lain, dengan memperkenalkan kekuatan baru yang beroperasi pada jarak beberapa kilometer. Pengukuran Stacy dan Taka sebagian terinspirasi oleh karya awal 1970-an oleh fisikawan Jepang Yasunori Fujii, yang mengeksplorasi kemungkinan gravitasi non-Newtonian.

Setelah 1986, musim perburuan berlanjut. Jika interaksi kelima bertindak pada jarak puluhan dan ratusan meter, akan mungkin untuk mendeteksi penyimpangan dari nilai-nilai yang diprediksi oleh gravitasi Newton ketika benda-benda jatuh pada ketinggian besar dari permukaan Bumi. Pada akhir 1980-an, tim dari Laboratorium Angkatan Udara AS di Hensky di Bedford. Massachusetts, mengukur percepatan gravitasi menggunakan menara televisi 600 meter di North Carolina, dan melaporkan tanda-tanda "interaksi keenam," yang, tidak seperti tolakan Fischbach, tampaknya meningkatkan gravitasi. Tetapi setelah analisis menyeluruh dari pekerjaan itu, pernyataan-pernyataan ini ditolak.

Penelitian yang paling menyeluruh dilakukan di Universitas Washington di Seattle oleh tim fisikawan yang memutuskan untuk bermain dengan kata-kata dan karena suara nama keluarga Hongaria Eőtv, yang mengambil nama Eot-Wash. Fisikawan nuklir Eric Adelberger mengambil bagian dalam pekerjaan mereka, saat itu "ia telah menjadi eksperimen terbaik di dunia dalam bidang penyimpangan dari prediksi gravitasi Newton," seperti yang dikatakan Fischbach. Tim Eot-Wash menggunakan skala torsi yang canggih, dan mengambil banyak tindakan pencegahan untuk menghilangkan kemungkinan artefak. Mereka tidak menemukan apa pun.

Salah satu eksperimen yang paling berkesan dan menjanjikan dimulai segera setelah pengumuman pada tahun 1986, dan dilakukan oleh Peter Tiberger dari Brookhaven National Laboratory di Upton, pc. New York Dalam eksperimennya, bola tembaga berongga melayang di tangki air di atas tebing. Pada tahun 1987, Tiberger melaporkan bahwa bola itu terus bergerak menuju tebing, di mana daya tarik gravitasi batu di sekitarnya kurang - inilah perilaku yang bisa diharapkan jika ada gaya tolak yang menentang gravitasi. Dan ini adalah satu-satunya bukti keberadaan interaksi kelima, yang diterbitkan dalam jurnal ilmiah terkenal. Mengapa eksperimen ini mengarah ke hasil seperti itu? Tidak ada yang tahu sejauh ini. "Tidak jelas apa sebenarnya yang salah dengan eksperimen Tiberger, dan apakah ada sesuatu yang salah di sana," tulis Fischbach.

Pada tahun 1988, Fischbach sudah menghitung 45 percobaan mencari interaksi kelima. Tetapi setelah lima tahun, hanya eksperimen Tiberger yang menunjukkan sesuatu yang mirip dengannya. Berbicara untuk menghormati dekade kerja pada tahun 1986, Fischbach mengakui bahwa: "Saat ini, tidak ada bukti eksperimental yang meyakinkan dari setiap penyimpangan dari prediksi gravitasi Newton. Keunggulan data eksperimental yang ada tidak sesuai dengan kehadiran interaksi baru yang bertindak jarak menengah atau panjang. "

Tampaknya, seperti yang dirumuskan Fischbach dengan sedih, bahwa dia telah menjadi penemu sesuatu yang tidak ada. Suasana hati umum ditangkap oleh fisikawan Lawrence Kraus, yang kemudian bekerja di Universitas Yale, yang, sebagai tanggapan terhadap pekerjaannya pada tahun 1986, secara resmi mengajukan permainan menggambar ke Physical Review Letters, di mana ia diduga menganalisis kembali eksperimen Galileo dengan akselerasi bola yang meluncur turun dari bukit yang dijelaskan dalam buku. 1638, "Bukti matematika yang berkaitan dengan dua cabang ilmu baru yang berkaitan dengan mekanika dan gerak lokal," dan diduga menemukan bukti "interaksi ketiga" (selain gravitasi dan elektromagnetisme). Jurnal itu menolak karya itu, merumuskan penolakan dalam semangat karya itu sendiri: atas dasar bahwa enam ulasan dari karya ini jelas ditulis oleh penulis sendiri.

Setelah beberapa dekade tidak terdeteksi adanya interaksi kelima, dapat diputuskan bahwa permainan telah berakhir. Tetapi fisikawan sedang mencari cara untuk memperluas fondasi sains mereka, dan oleh karena itu keinginan untuk percaya pada keberadaan interaksi kelima tampaknya lebih menarik, dan semakin banyak alasan untuk ini. "Sekarang Anda dapat menemukan ribuan karya yang menggambarkan interaksi fundamental baru yang bisa menjadi sumber kelima," kata Fischbach. "Motivasi teoritis lebih dari cukup."

Sebagai contoh, teori-teori selanjutnya, yang mencoba memperluas fisika di luar "model standar" yang menggambarkan semua partikel yang diketahui dan interaksinya, menawarkan beberapa kemungkinan untuk interaksi baru, mencoba mengungkap lapisan realitas berikutnya. Beberapa dari mereka memprediksi keberadaan partikel yang mampu bertindak sebagai pembawa interaksi yang sebelumnya tidak diketahui, sama seperti interaksi elektromagnetik, kuat, dan lemah terkait dengan partikel pembawa seperti foton.

Sekelompok model yang memprediksi penyimpangan dari gravitasi Newton disebut dinamika Newtonian termodifikasi (MOND). Mereka mencoba menjelaskan beberapa fitur pergerakan bintang di galaksi, yang biasanya dijelaskan dengan bantuan "materi gelap" hipotetis yang berinteraksi hanya dengan yang biasa (atau hampir hanya) melalui gravitasi. Tidak ada bukti untuk model MOND, tetapi beberapa fisikawan menemukan mereka semakin menarik, karena pencarian aktif untuk partikel materi gelap tidak menghasilkan apa-apa.

Selain itu, menurut Feng, interaksi kelima dapat membantu kita memilah materi gelap. Sejauh yang kita tahu, ia berinteraksi dengan materi biasa hanya melalui gravitasi. Tetapi jika dia tiba-tiba merasakan interaksi kelima, "itu dapat memberi kita semacam 'portal' yang melaluinya kita akhirnya dapat berinteraksi dengan materi gelap tidak hanya dengan bantuan gravitasi, dan memahami apa itu."

Selain itu, beberapa teori yang menggunakan lebih dari tiga pengukuran yang kita kenal - misalnya, versi teori string yang paling populer oleh fisikawan - memperkirakan bahwa pada jarak hingga satu milimeter ada kekuatan yang mirip dengan gravitasi, tetapi secara signifikan melebihi kekuatannya.

Skala inilah yang sedang dieksplorasi oleh para ilmuwan. Dan ini berarti mengukur kekuatan dengan keakuratan ekstrem, bertindak di antara massa kecil yang dipisahkan oleh jarak yang sangat kecil. Tiga tahun lalu, Fischbach dan rekan-rekannya melakukan pengukuran yang melibatkan partikel-partikel yang berjarak 40 hingga 8.000 ppm. Masalah dengan pengukuran tersebut adalah bahwa antara benda-benda yang dekat seperti itu suatu gaya yang menarik muncul karena efek Casimir . Sifatnya sama dengan kekuatan van der Waalsbekerja pada jarak yang lebih pendek dan menghubungkan molekul satu sama lain. Mereka muncul karena gerakan sinkron dari awan elektron pada objek, yang mengarah ke tarik elektrostatik karena adanya muatan pada elektron. Efek Casimir adalah apa yang menjadi gaya Van der Waals ketika benda-benda terpisah cukup jauh - lebih dari beberapa nanometer - sehingga penundaan waktu dalam fluktuasi elektron berperan.

Fischbach dan rekan-rekannya menemukan cara untuk menekan efek Casimir dengan mengurangi satu juta kali, menutupi massa uji dengan lapisan emas. Mereka memasang bola safir berlapis emas dengan jari-jari 1 / 150.000 mm ke piring, yang gerakannya dapat dikontrol secara elektronik. Kemudian mereka mengatur rotasi disk mikroskopis dengan area yang dilapisi emas dan silikon, tepat di bawah bola. Jika ada perbedaan dalam interaksi antara emas dan silikon, maka ini akan menyebabkan getaran bola. Tidak ada efek seperti itu ditemukan, yang menyiratkan bahwa pembatasan yang lebih kuat dapat dikenakan pada kekuatan yang mungkin dari interaksi kelima, tergantung pada bahannya, pada skala mikroskopis.

Dalam percobaan semacam itu, Anda dapat menggunakan skala torsi. Para peneliti di Cosmic Ray Research Institute di Universitas Tokyo telah menggunakan alat semacam itu untuk mencari penyimpangan dari efek Casimir standar karena interaksi kelima. Sejauh ini, mereka hanya menemukan batasan yang lebih ketat pada kekuatan interaksi ini.

Selain deteksi langsung dari interaksi kelima, masih mungkin untuk menemukannya dengan cara yang Fischbach ingin lakukan: melalui tumbukan energi tinggi dari partikel-partikel fundamental. Pada 2015, sebuah tim dari Institute for Nuclear Research di Debrecen, Hongaria, yang dipimpin oleh Attila Krasznahorkay, melaporkan hasil tak terduga dari sebuah eksperimen. Bentuk atom berilium yang tidak stabil yang diperoleh dari pemboman proton pada kertas lithium meluruh dan memancarkan pasangan elektron dan antipartikel, positron. Jumlah pasangan elektron-positron yang dilepaskan oleh sampel pada sudut 140 derajat melebihi indikator lainnya, yang tidak dapat dijelaskan oleh teori fisika nuklir standar.

Hasil-hasil ini, pada kenyataannya, diabaikan sampai Feng dan rekan-rekannya tahun lalu menyarankan bahwa mereka dapat dijelaskan dengan penampilan dalam percobaan partikel interaksi baru yang dengan cepat meluruh menjadi elektron dan positron. Dengan kata lain, partikel ini dapat menjadi pembawa interaksi kelima pada jarak pendek, dalam beberapa seperempat milimeter.

Peneliti lain belum mereproduksi pengalaman ini, tetapi temuan ilmuwan Hungaria terlihat andal. Peluang bahwa ini adalah fluktuasi statistik acak kecil: 1 dari 100 miliar. "Selain itu, data sangat konsisten dengan hipotesis yang memperhitungkan partikel baru," katanya. "Jika itu ada, itulah yang dapat ditemukan." Schleminger setuju bahwa menafsirkan pengamatan Hongaria oleh Feng adalah "salah satu hal paling menarik yang terjadi pada 2016."

"Kami belum mengkonfirmasi keberadaan partikel baru," Feng mengakui, "tetapi konfirmasi seperti itu akan revolusioner, itu akan menjadi penemuan terbesar dalam fisika partikel dalam 40 tahun terakhir." Karya teoretisnya memprediksi bahwa partikelnya hanya 33 kali lebih berat dari satu elektron. Dalam hal ini, akan cukup sederhana untuk diperoleh dalam tabrakan partikel - tetapi sulit untuk dilihat. "Berinteraksi sangat lemah, dan kami menunjukkan bahwa itu tidak akan terdeteksi dalam semua percobaan sebelumnya," kata Feng. Mungkin Anda bisa mencarinya di Large Hadron Collider di CERN.

Jadi hipotesis keberadaan interaksi kelima sama sekali tidak habis. Dapat dikatakan bahwa semua pengamatan dalam fisika dasar atau kosmologi yang tidak dapat dijelaskan melalui teori yang ada - melalui Model Standar atau GR, harus membuat fisikawan beralasan tentang interaksi baru atau jenis materi baru, seperti materi gelap dan energi gelap. Begitulah cara fisika selalu bekerja: ketika segala sesuatu yang lain tidak cocok, Anda menempatkan sosok baru di papan tulis dan menonton bagaimana itu bergerak. Tentu saja, kita belum melihat bukti yang meyakinkan untuk keberadaan interaksi kelima, tetapi tidak ada yang juga mengamati bukti langsung materi gelap, supersimetri, atau pengukuran tambahan - tetapi mereka dicari. Kami telah mengecualikan banyak wilayah tempat interaksi kelima dapat terjadi,tetapi area yang luas tetap belum dijelajahi.


Keterbatasan pada kekuatan yang mungkin dari interaksi kelima α pada skala besar (kiri) dan kecil (kanan). Area kuning menunjukkan zona yang dikecualikan, dan label batas merujuk ke masing-masing eksperimen. Garis putus-putus pada skala kecil menunjukkan besarnya kemungkinan interaksi kelima yang diprediksi oleh berbagai teori

. Pada April 2016, Badan Antariksa Eropa meluncurkan Mikroskop satelit Prancis, yang harus menguji prinsip kesetaraan yang lemah di ruang angkasa dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Ini menggunakan dua pasang silinder yang dimasukkan satu sama lain dalam jatuh bebas: satu pasang terbuat dari paduan yang sama dari platinum dan rhodium, pasangan lainnya memiliki silinder luar yang terbuat dari paduan yang lebih ringan dari titanium-vanadium-aluminium. Jika silinder jatuh pada kecepatan tergantung pada bahan - dan penyimpangan dari SES mencapai 1 fraksi per seribu triliun (yang 100 kali lebih kecil dari yang dapat diukur di Bumi), maka mereka dapat ditentukan menggunakan sensor elektronik.

"Model-model teori string memprediksi pelanggaran SPE pada skala kurang dari satu dalam 10 triliun," kata Joel Berge, seorang ilmuwan di ONERA's French Aerospace Research Center, yang bertanggung jawab untuk proyek Mikroskop. Dia mengatakan karya ilmiah misi dimulai November lalu, dan hasil pertama akan muncul musim panas ini.

Terlepas dari semua eksperimen berteknologi tinggi ini, Fischbach terus kembali dengan tepat ke eksperimen dengan bobot torsi Eötvös. Kemudian orang-orang Hungaria tidak memiliki motivasi teoretis untuk mengharapkan kemunculan interaksi kelima, tergantung pada materi - tidak ada yang secara tidak sadar dapat membuat mereka terdistorsi hasil pekerjaan mereka yang sangat akurat. Namun, mereka menemukan sesuatu seperti ini - bukan hasil acak, tetapi penyimpangan sistematis. "Saya terus berpikir, mungkin saya kehilangan sesuatu tentang apa yang mereka lakukan di sana," kata Fischbach. "Sejauh ini, ini masih merupakan misteri."