“看起来，伽利略先生已经正确计算了一切。” 这个结论并非基于最准确的实验，而是最壮观的实验之一-发生在月球上。
1971年，作为阿波罗15号任务的宇航员，大卫·斯科特（David Scott）从一个高度掉下了羽毛和锤子，发现它们同时到达了月球表面。 正如伽利略在他对比萨斜塔的实验（副经）中所预期的那样，重力所赋予的加速度并不取决于其组成或体重。
还是取决于？ 快进1986年1月的《纽约时报》的头版：“
宇宙中第五种力量的暗示正在改变伽利略的发现 。” 报纸从物理学家Eframe Fischbach和他的同事所做的著名的《物理评论快报》（Physical Review Letters）中描述了科学工作。 它提供了证据，证明重力产生的加速度取决于所讨论物体的化学成分。 事实证明，重力并不是我们所想的：根据作者，重力的作用受到《纽约时报》记者约翰·诺布尔·威尔福德所说的“第五种相互作用”的影响，并将其添加到我们已经知道的四种力量中。
30多年来，进行了许多实验，以确认所谓的第五支部队的存在。 尽管具有极高的准确性，但没有人提供有关其存在的确凿证据。 但是搜索不会停止。 仅在去年，在核物理实验中就出现了这种力量存在的新的诱人暗示，这导致了新的猜测和动荡。
现代物理学的基本原理悬而未决。 一些物理学家认为，第五种力量是可能的，甚至是必要的，它可以扩展和统一当今存在的理论。 其他人则希望这种力量能够揭开神秘的暗物质，超过宇宙中所有普通物质。 加州大学欧文分校的物理学家乔纳森·冯（Jonathan Feng）说，如果存在的话，“这意味着我们联合知名部队的尝试为时过早，因为现在也有必要与第五部队联合。”
如果他没有证据，为什么还要争论一种新的基本相互作用呢？ 即使在伽利略时代，最初的动机仍然很明显。 质量可以用两种方式描述。 一种是惯性：物体的质量就是运动的阻力，质量越大，阻力就越大。 另一个是重力：根据牛顿的重力定律，两个物体所受到的吸引力与它们的质量乘以它们之间的距离的平方成正比。 该力使下落的苹果加速。 并且只有当质量的两个定义相同时，重力加速度才不取决于加速度质量的大小。
但是它们相同吗？ 如果不是，那么不同的质量将以不同的速度受到重力的影响。 大量物体应该更快下落的直观想法激发人们在伽利略之前就进行测试。 佛兰德博物学家
西蒙·斯蒂文 （
Simon Stevin）于1586年从代尔夫特（Delft）的钟楼扔了铅球，但他们发现铅球到达地球所需的时间没有差异。 牛顿本人在1680年测试了这个想法，测量了质量不同但长度相同的摆的摆动周期是否重合，并且如果重力加速度与质量无关，则摆重的周期也应重合。 1832年，德国科学家
弗里德里希·威廉·贝塞尔 （
Friedrich Wilhelm Bessel）更准确地重复了他的研究。 他们发现没有明显的区别。
惯性质量和引力质量重合的想法被称为“
等价的弱原理 ”（SPE）。 当
爱因斯坦在1912-1916年
提出相对论时，这个问题就变得很关键，这个论据是基于物体因重力而受到的力与加速度所引起的力没有区别的想法。 如果不是这样，那么GR将无法工作。
“等值原理是广义相对论的基本假设之一，”在盖瑟斯堡国家标准技术研究院从事精确测量世界圣物的斯蒂芬·施拉明格说。 “因此，必须仔细检查。 对等原则的检查相对便宜且简单，但是检测到对等原则会产生严重后果。 不进行这样的实验是鲁re的。”
如果SEE失败，我们将有两个选择。 或者说，牛顿式的两个质量的吸引力表达式（相对大的质量而言，相对论一般存在）有点不准确，需要对其进行校正。 要么一切都与引力有关，但是有一个新的第五种相互作用对其产生影响。 第五个相互作用将添加到我们已经知道的四个相互作用中：重力，电磁以及控制原子核中亚原子粒子相互作用的强相互作用和弱相互作用。 修正的引力或第五种相互作用-根据Fischbach的说法，这里的区别是语义上的。
冯说，无论如何，“没有理由不存在我们以前没有注意到的第五种互动。”
当爱因斯坦将PSE与他的新引力理论联系起来时，已经对该原理进行了数次精心的测试。 19世纪末，在布达佩斯大学工作的匈牙利贵族代表
洛朗·奥特沃斯男爵（Baron
LorandÖtvös）意识到，可以利用两个群众之间的平衡来对他进行检查。
Eötvös使用了扭秤。 他在吊在一根绳子上的一根杆的末端附加了两个物体。 如果物体的重量相同-即它们具有相同的重力-则杆在水平方向上平衡。 但是，由于地球的自转，质量也会受到离心力的影响，这取决于它们的惯性质量。 如果惯性质量等于重力，则所有力将平衡，并且磁极不会移动。 否则，由于地球的自转，群众将不得不偏离水平面。
并且，如果两个质量的偏差不同-例如，如果与SPE的偏差取决于质量的组成-则磁极将承受扭矩。 即使旋转很小，也可以使用例如从安装在杆上的镜子反射的光束进行测量。
但是事实是，地球上的重力根据地形而变化。 我们的星球不是一个光滑均匀的球体。 石头具有不同的密度，并且它们在物体上施加不同的重力。 由于Eötvös实验的准确性，即使附近的大学建筑也可能破坏结果。 消除这种影响的一种方法是在磁极的两个不同方向进行测量-例如，当磁极从西向东，然后从北向南定向时。 在这两个位置上，重力的作用应该相同，但是离心力将有所不同-因此，与SPE的执行过程有关的任何偏差都将导致磁极在不同位置处的扭矩不同。 这种方法与使用平衡器进行实验的总体策略是一致的-无需担心局部影响或测量绝对值的准确性。
局部干扰也会随时间变化-即使过往的卡车也会产生很小的重力影响。 研究人员必须致力于消除此类变量。 即使是实验人员的存在也可以有所作为。 因此，在平衡器平静下来的时候，匈牙利的科学家们保持了一定的距离，然后猛然冲向实验室以进行读数，直到他改变了位置（转身时间为40分钟）。
Etvös制作了扭力秤，使它们成为了精美的工程作品。 杆的一端是标准质量的铂金，另一端固定了其他材料。 六个人站在一个三脚架上，可以转动以调整其方向。 使用望远镜和安装在杆上的镜子跟踪杆的转向。 较小的温差可能会使设备变形并产生假旋转，因此整个结构被封闭在封闭且隔离的房间中。 为了获得更高的准确性，研究人员在黑暗的房间中进行了进一步的实验，以使光线不会导致温度波动。 设备本身在一个用藻类隔热的遮阳篷下。
感到愤怒：Eötvös的扭秤对转弯力矩非常敏感，这可能表明存在第五次相互作用匈牙利科学家于1889年开始他们的实验，没有发现任何可见的旋转与几种不同材料的质量等效原理的偏差有关，其精确度为2000万分之一。
因此，到19世纪末，没有理由怀疑EIT。 但是到了这个时候，其他原因开始出现。 例如，放射性的发现说明原子内部存在未知的能源。 此外，爱因斯坦的GRT对物质和质量有了新的认识。 看起来质量可以转换成能量-并且还取决于速度，随着物体的速度接近光速而增加。 考虑到所有这些因素，德国皇家哥廷根科学学会在1906年设立了4,500分的奖励，以奖励对“惯性和重力”等价原理的更灵敏的测试，并为Eötvös的实验提供参考。
甚至Atvös本人也无法抗拒竞争。 “他是此类实验的世界专家，” Fischbach说。 他和他的学生Decco Pecar和Geno Fekete清除了扭力平衡实验，并花了数千小时检查其他材料：铜，水，石棉，实木等。 他们在1909年发送了他们的发现，声称将实验的准确性提高到2亿分之一。 但是完整的报告是在1922年Eötvös死后仅三年发布的。 他的另一位学生Janos Renner继续他的工作并于1935年发表，宣布以2到50亿的准确度对EIT进行验证。
这样的准确性真的有可能吗？ 广义相对论专家物理学家罗伯特·迪克（Robert Dick）对此表示怀疑，并在1960年代解决了类似问题。 无论他的批评是否正确，他和他的同事都使用了更复杂的扭力标尺，并达到了每千亿分之一的精度，他们设法通过不仅通过地球的重力，而且通过太阳的重力来测量测试质量的加速度来做到这一点。 通过这种方法，不需要通过旋转设备来干扰平衡：随着地球绕太阳绕轨道运动，引力吸引的方向本身就会旋转。 与SPE的任何偏差都将显示信号的变化，这与地球24小时的自转周期一致，这使得可以准确地区分有用的数据和由局部重力变化和其他因素引起的错误信号。 迪克和他的同事们没有看到任何偏离的迹象：没有迹象表明第五次相互作用需要修正牛顿定律。
物理学家是否满意？ 他们通常什么时候快乐？
Fischbach听说了1975年普渡大学的同事Roberto Colelo及其合作者进行的实验后，对第五次互动产生了兴趣。 他们试图发现牛顿重力对亚原子粒子影响的痕迹。 Fischbach想知道是否有可能在引力足够强以出现相对论效应的情况下，用亚原子粒子进行这样的实验，而不仅仅是牛顿式的不能精确描述引力的情况。 这样的实验可以为检验爱因斯坦的理论提供一种全新的方法。
他开始考虑使用“
kaons ”的奇异粒子及其反粒子（在粒子加速器中产生的反钾粒子）的可能性。 通过研究在费米实验室加速器上完成的kaon功，费施巴赫开始怀疑它们的行为可能受到对诸如
重子数 B等参数敏感的一些新力的影响。
与质量或能量不同，基本粒子的这种特性没有明确的日常含义。 它等于构成原子核中质子和中子的甚至更多基本成分，
夸克和反
夸克数量的简单总和。 但这就是问题：如果新力取决于重子数，则它应取决于材料的化学成分，因为不同的化学元素具有不同数量的质子和中子。 更确切地说，这将取决于B数与构成该物质的原子质量之比。 乍一看，这个比率应该是恒定的，因为原子质量是从质子和中子的总和中获得的。 但是实际上，所有这些成分的总质量中只有一小部分转化为能量，将它们结合在一起，并随原子而变化。 因此，每个元素都有其独特的B质量比。
成分依赖性强度。 这不是Etvosh想要的吗？ 菲施巴赫决定重温历史，并仔细研究匈牙利男爵的实验结果。 1985年秋天，他和他的学生Carrick Talmadge计算了Atvös使用的物质的B /质量比。 他们发现的东西使他们自己感到惊讶。
匈牙利小组发现各种物质测得的重力加速度的偏差非常小，但由于缺乏清晰的偏差表述，因此将其归因于误差。 但是当Fischbach和Talmadge根据B /质量比绘制偏差时，他们发现了一条直线，表明存在轻微的质量排斥，从而降低了其重力引力。
菲施巴赫，E。第五力量：个人历史。 欧洲物理杂志H 40，385-467（2015）。Etvosh使用的物体的化学成分并不总是很容易重建-
五种不同的植物被称为“蛇木树”，但尚不清楚如何确定“内部绵羊脂肪”的成分，但根据它们的计算，数值之间的关系仍然存在。 在最令人惊讶的情况之一中，硫酸铂和硫酸铜晶体的偏差几乎相同。 事实证明，这些材料的几乎所有特性（密度等）都不同，并且B /质量比几乎相同。
Fischbach和Talmadge在博士后Peter Buck的帮助下，在他们广受好评的1986年文章中介绍了这些发现，他的德语水平使他能够翻译1922年Etvös团队的原始报告。 审稿人是迪克，他对此表示怀疑，但最终投票赞成该出版物。 迪克后来发表了他的工作，指出可以通过温度对设备的影响来解释Eötvös测量中的异常。 但是，仍然很难看到这些影响将如何导致与重子数这样的奇特特性产生令人信服的相关性。
出版后，许多人都写了关于该作品的文章，不仅是《纽约时报》，还有传奇的物理学家理查德·费曼。 费希曼在作品出版四天后就打电话给菲施巴赫，起初甚至认为这是一种骗局。 费曼对菲斯巴赫和《洛杉矶时报》都没有特别的印象。 但是他对作品的反应已经充分说明了她对有关方面的印象。
Fischbach写道：“鉴于我们的工作暗示了自然界中新相互作用的存在，审查过程进行得如此顺利似乎令人惊讶。” 这种平滑性可能是由于以下事实：已经有理论和实验上的原因怀疑存在第五种相互作用。
1955年，美国华裔物理学家
李正道和
杨振宁因两年后基于重子数的相互作用而获得了新的构想，他们甚至获得了诺贝尔奖。该奖因两年后基础粒子的相互作用而获得了诺贝尔奖，甚至利用埃特沃什的著作来表明对其强度的限制。 李在作品发表一周后与菲施巴赫会面，并对此表示祝贺。
此外，在1970年代，来自澳大利亚的两个地球物理学家Frank Stacy和Gary So非常精确地测量了一个深矿中的重力常数，该常数确定了牛顿重力引力方程中的质量与力之比。 他们获得的价值与实验室先前获得的价值大不相同。 除其他外，可以通过引入一支在几公里外的新部队来解释这一差异。 Stacy和Taka的测量结果部分受到1970年代初期日本物理学家藤森康则（Yasunori Fujii）的工作的启发，他探索了非牛顿重力的可能性。
1986年以后，狩猎季节继续。
如果第五种相互作用作用在数十米和数百米的距离处，则当物体从地球表面高度落下时，将有可能检测到与牛顿重力所预测值的偏差。在1980年代后期，一支来自贝德福德Hensky的美国空军实验室的团队。马萨诸塞州使用北卡罗来纳州600米高的电视塔测量了重力加速度，并报告了“第六次相互作用”的迹象，这与菲施巴赫反斥力不同，它似乎增强了重力。但是，在对工作进行彻底分析之后，这些陈述被拒绝了。一支由物理学家组成的团队在西雅图的华盛顿大学进行了最彻底的研究，他们决定使用文字，并且由于匈牙利姓氏Eőtvős的声音而得名，该姓氏名为Eot-Wash。费希巴赫说，核物理学家埃里克·阿德尔伯格（Eric Adelberger）参加了他们的工作，那时“他已经成为偏离牛顿重力预测领域的世界上最好的实验者”。 Eot-Wash团队使用了最先进的扭矩秤，并采取了许多预防措施以消除可能的伪影。他们什么也没找到。最令人难忘和最有前途的实验之一是在1986年宣布这一消息后立即开始的，并且由位于Upton的Brookhaven国家实验室的Peter Tiberger完成。纽约市
在他的实验中，一个空心的铜球漂浮在悬崖上的一罐水里。 1987年，蒂伯格（Tiberger）报告说，球体不断向悬崖移动，而悬崖周围的石头的引力吸引力较小-如果存在与重力相反的排斥力，这正是可以预期的行为。这是存在于著名科学杂志上的第五种相互作用的唯一证明。为什么这个实验会导致这样的结果？到目前为止，还没有人知道。菲施巴赫写道：“目前尚不清楚蒂伯格实验到底出了什么问题，以及那里到底有什么问题。”到1988年，菲施巴赫（Fischbach）已经对45个实验进行了计数，以寻找第五种相互作用。但是五年之后，只有蒂伯格的实验显示出与她相似的东西。为了纪念1986年的十年工作，菲施巴赫（Fischbach）承认：“目前，没有令人信服的实验证据证明与牛顿重力预测有任何偏差。现有实验数据的优势与中等距离或远距离作用的任何新的相互作用都不存在。”正如费施巴赫（Fischbach）悲惨地表述的那样，他似乎已经成为不存在事物的发现者。物理学家劳伦斯·克劳斯（Lawrence Kraus）笼罩了整体情绪，然后在耶鲁大学工作，他为回应1986年的工作，正式向《物理评论快报》发送了绘画游戏，据称在那儿他重新分析了伽利略的实验，其中有加速的球滑下了书中所述的山坡。 1638年，“与力学和局部运动有关的两个科学新分支的数学证据”，据称发现了“第三种相互作用”（除了重力和电磁学）的证据。该杂志拒绝了该作品，本着该作品本身的精神进行了拒绝：在此基础上，作者本人明确撰写了六篇评论。在数十次普遍不检测到第五种互动之后，可以确定游戏结束了。但是物理学家正在寻找扩大其科学基础的方法，因此，相信第五次相互作用的存在的愿望似乎更具吸引力，并且有越来越多的理由。 Fischbach说：“现在您可以找到成千上万的作品，描述了可能是第五种相互作用的新的基本相互作用。” “足够的理论动力。”例如，后来的理论试图将物理学扩展到描述所有已知粒子及其相互作用的“标准模型”之外，从而为新的相互作用提供了几种可能性，试图揭示现实的下一层。他们中的一些人预测能够充当先前未知相互作用的载体的粒子的存在，就像电磁，强相互作用和弱相互作用与诸如光子之类的载体颗粒相关联一样。一组预测偏离牛顿重力的模型称为修正牛顿动力学（MOND）。他们试图解释星系中恒星运动的某些特征，这些特征通常是借助假想的“暗物质”来解释的，该“暗物质”仅通过重力与普通物体（或几乎仅与物体）相互作用。尚无关于MOND模型的证据，但一些物理学家发现它们越来越具有吸引力，因为积极寻找暗物质粒子不会带来任何好处。此外，冯认为，第五种相互作用可以帮助我们理清暗物质。据我们所知，它仅通过重力与普通物质相互作用。但是，如果她突然感觉到了第五种相互作用，“它可以为我们提供一种“门户”，通过它，我们不仅可以借助引力最终与暗物质进行相互作用，并了解暗物质是什么。”此外，有些理论使用了我们熟悉的三种以上的测量方法，例如物理学家最流行的弦理论版本，它们预测，在最远一毫米的距离处，可能存在与重力相似的力，但实际上会超过重力。科学家正在探索的正是这种规模。这意味着以极高的精度测量力，作用在相隔很小距离的小质量之间。三年前，菲施巴赫（Fischbach）和他的同事们进行了涉及40至8,000 ppm距离颗粒的测量。这种测量的问题在于，由于卡西米尔效应，在这样的接近物体之间会产生吸引力。其性质与范德华力的性质相同以更短的距离工作并使分子彼此连接。它们的产生是由于电子云在物体中的同步运动，由于电子上存在电荷而导致静电吸引。卡西米尔效应是当物体相距足够远（超过几纳米）时范德华力所产生的力，因此电子波动的时间延迟起一定作用。菲施巴赫和他的同事们找到了一种方法，可以通过将卡西米尔效应降低一百万倍来抑制卡西米尔效应，从而在测试物体上覆盖一层金。他们在板上安装了半径为1 / 150,000毫米的镀金蓝宝石球，其运动可以电子控制。然后，他们在球的正下方组织了显微镜盘的旋转，覆盖了金和硅的区域。如果金和硅之间的相互作用存在差异，则应导致球的振动。没有发现这样的影响，这意味着可以根据微观尺度对第五种相互作用的强度施加更大的限制，具体取决于材料。在此类实验中，您可以使用扭力秤。东京大学宇宙射线研究所的研究人员已使用这种设备来寻找由于第五次相互作用而与标准卡西米尔效应产生的偏差。到目前为止，他们仅对这种互动的强度进行了更严格的限制。除了直接检测第五种相互作用之外，仍然有可能以Fischbach最初想要的方式找到它：通过基本粒子的高能碰撞。 2015年，匈牙利的德布勒森核研究所的一个研究小组在Attila Krasznahorkay的带领下报告了该实验出乎意料的结果。通过锂箔的质子轰击获得的铍原子的不稳定形式衰减并散发电子对及其反粒子正电子。样品以140度角释放的电子-正电子对的数量超过了其他指标，这是标准核物理理论无法解释的。实际上，这些结果一直被忽略，直到去年Feng和他的同事提出，可以通过实验中出现的一种新的相互作用粒子迅速解释为电子和正电子的现象来解释它们。换句话说，该粒子可以在很短的距离（数万亿分之一毫米）中作为第五种相互作用的载体。其他研究人员尚未复制这种经验，但是匈牙利科学家的发现看起来是可靠的。这是随机统计波动的机会很小：在1000亿中占1。“此外，数据与考虑新粒子的假设完全一致，”他说。“如果存在，那就可以找到它。” Schleminger同意，冯解释匈牙利的观察是“ 2016年发生的最迷人的事情之一”。冯承认，“我们尚未确认是否存在新粒子，但这种确认将是革命性的，这将是过去40年来粒子物理学中最伟大的发现。”他的理论工作预测他的假定粒子仅比电子重33倍。在这种情况下，获得粒子碰撞将非常简单-但很难看到。冯说：“它的相互作用非常弱，我们证明在以前的所有实验中都不会检测到它。”也许您可以在CERN的大型强子对撞机上进行搜索。因此，关于第五种相互作用存在的假设并没有完全用完。可以说，所有无法通过现有理论（通过标准模型或GR）解释的基本物理学或宇宙学观察，都应使物理学家对新的相互作用或新的物质类型（例如暗物质和暗能量）进行推理。这就是物理学一直以来的工作方式：当其他一切都不合适时，您可以在板上放置一个新的图形，并观察其运动方式。当然，我们还没有发现有令人信服的证据表明存在第五种相互作用，但是没有人观察到暗物质，超对称性或其他测量的直接证据，但人们一直在寻找它们。我们已经排除了可能发生第五次互动的许多地区，但是仍然有广阔的地区尚未开发。
在大（左）和小（右）尺度上限制第五种交互作用α的可能强度。黄色区域表示排除的区域，边框标签表示各个实验。小规模的虚线显示了各种理论预测的第五次相互作用的可能大小，无论如何，搜索仍在继续。 2016年4月，欧洲航天局发射了法国卫星显微镜，它应该以前所未有的准确性测试空间等效的弱原理。它使用两对自由下落的圆柱体：一对是由相同的铂和铑合金制成的，另一对则是由较轻的钛钒铝合金制成的外圆柱。如果圆柱体的下落速度取决于材料，并且与SES的偏差达到了每千亿分之一的分数（这是地球上可测量的误差的100倍），则可以使用电子传感器确定它们。负责显微镜项目的ONERA法国航空研究中心的科学家Joel Berge说：“字符串理论模型预测违反SPE的规模不到十分之一。”他说，考察团的科研工作于去年11月开始，而最初的结果将于今年夏天出现。尽管进行了所有这些高科技实验，但Fischbach仍将继续精确地回归Eötvös扭力秤的实验。那时匈牙利人没有理论动力去期待第五次互动的出现，这取决于材料-没有什么可以下意识地使他们歪曲他们极其精确的工作的结果。然而，他们发现了这样的事情-不是结果的随机散布，而是系统的偏差。“我一直在想，也许我对他们在那里所做的事情有所遗漏，” Fischbach说。“到目前为止，这仍然是一个谜。”