基本力——第五种力寻踪

发布时间：88年07月25日

E. Iacopini 编译王毅

牛顿引力理论假设：万有引力源自惯性质量。根据这假设和牛顿第二定律，当仅存在引力场时，物体的加速度与其质量无关（g的普适性）。惯性质量与引力质量等价，是爱因斯坦广义相对论和其他几个可供选择的引力理论的一个原理。由于以上这些原因，人们以不断提高的精确度对‘g’的普适性进行了许多次检验。根据这些检验的结果，人们也能定出新远程力存在的限度。假如新远程力并不源自惯性质量，它们将导致g明显地不是普适的。E. 菲施巴赫（Fischbach）等人最近提出存在第五种力（流行地、但却引人误解地被称为反引力）这一假设，推动了人们对基本力的研究。从那时以来，人们已经完成了两个检验这假设的实验。然而，它们导致互相矛盾的结论。

历史上，厄缶（E?tvos）于1922年和伦纳（Benner）于1935年所做的实验，定出?g/g的极限值分别为3×10^-9和7×10^-10。后来，迪克（Dicke）和布拉金斯基（Braginskii）的实验将精确度分别提高到10^-11和10^-12。可是，后两个实验实际上是比较朝着太阳，即在十分不同的距离规模上，作自由落体运动的物体的加速度。1986年，菲施巴赫等人重新分析了厄缶的数据，声称有证据表明存在第五种力。这种力不同于已知的四种基本相互作用力。它作用于所有物体，使它们离开地球，而作用量的大小则与物体的重子量或核子量成正比。其结果是：在伽利略式的实验中，（惯性）质量相同、但化学成分不同的物体到达地面的时间，将稍有不同。按照菲施巴赫，相距r的两个点状质量m₁和m₂的位能是：

V=﹣(Gm₁m₂/r) · (1﹣α₁₂exp(﹣r/λ）

式中G是牛顿万有引力普适常数；第一个括号是牛顿引力定律的一般形式；第二个括号表示由第五种力所引起的近程偏离（short-range departure），其中λ是第五种力的作用范围，而α₁₂与材料有关，正比于约化为其各自点代体质量的两个重子量β₁和β₂的乘积。

在矿山升降机井中所作的地球物理学引力测量，证实对牛顿引力的近程偏离这一想法，结果是α₁₂ ~ 10^-2和λ ~ 1千米。菲施巴赫提出，第五种力的传递媒介是超光子，一种也能说明高能K⁰ ~k^ˉ0亚核系统异常特性的新粒子。然而，这假设容易受到严肃认真的批判。比较困难的则是：否认菲施巴赫在重新分析厄缶的数据时所发现的?g、g与?β之间的相互关系。实际上，我们需要新的、专门设计的实验，用以检验第五种力假设，就像蒂伯格（Thieberger）和斯塔布斯（Stubbs）所做的那样。

蒂伯格设计了一种差示加速度计，用来测量一个在纯水中自由漂浮的匀称空心铜球的水平运动（图1A）如果g是普适的，那么当铜球因水的浮力而平衡时，它将不受万有引力位形（gravitational configuration）的影响而继续保持平衡。蒂伯格将加速度计放在帕利塞兹（Palisades）悬崖（新泽西）的上部边缘附近，观察到球以4.7毫米/小时的速度水平地漂离悬崖。对这现象的解释是：悬崖施加在铜上的第五种力大于其施加在水上的这种力，因而导致存在一个水平分力F。这力使铜球离开悬崖。按照斯托克斯公式，F ~ 4.2×10^-9牛顿。这个值，与根据斯泰西（Stacey）的地球物理学测量数据，以及铜与水的约化重子量比值1.00171而得出的结果非常一致。这实验似乎是令人信服的。而且毫无疑问，数据证实力F存在。然而，F是产生于第五种力，还是产生于某种比较平常的东西呢？斯塔布斯等人得到的与蒂伯格的实验相矛盾的结果，证明提出这问题是合理的。他们做了一个厄缶式的实验。实验使用一个可自由摆动的扭力摆。它由四个圆柱体构成，其中两个是铜质的（β=1.00112），两个是铍质的（β=0.99865）。它们具有相同的质量克，并处在四重对称的位置上（图1B）。当处在真空10.04容器中的扭力摆以不变的角速度旋转时，他们便测量其平衡位置θ(t)。容器放在华盛顿大学内的一座小山坡上。如果第五种力存在，应该有一个随时间变化的扭力矩作用在摆上，从而按容器旋转的频率产生θ(t)的一个分量。但是他们没有发现这种分量，因而与蒂伯格的实验不一致。

根据上述难以进行的实验，总是难以得出明确的结论。应该在不同的地点，用不同材料和不同大小的球，重复蒂伯格的测量。关于斯塔布斯等人的实验，人们则希望，不仅对他们给出的4×10^-6拉德的系统补偿，而且对统计误差的确定，有更多详细的了解。

其他实验正在准备之中。一个设想是：用安装在欧洲原子核研究委员会（CERN）所在处的引力天线（gravitational antenna），来探测在恒星坍缩期间所发出的引力波。如果第五种力存在，那么天线便会被一个重子电荷偶极子（dipole of baryonic charge）所激发。该偶极子由两个分别是铁质的和铜质的空心半圆柱体构成，并以天线的共振频率（915赫兹）旋转。天线的形状和粗细经过挑选，以避免通常的万有引力效应。通过求出天线一天的输出总量，便能发觉一个相应于α=7.0×10^-3和λ=200米的第五种力信号。

另一个设想的用意在于：用一个伽利略式的实验直接检验g的普适性。使一个用两种不同材料制作的盘自由下落，并用一架经过改进的迈克耳逊干涉仪观察其角运动（图2）。如果盘的两半以不同的加速度下落，盘将与?g成正比地绕其轴作角加速运动下。预期的自由落路程为5米，而对?g/g的灵敏度为10^-10，大得足以检验菲施巴赫的假设。