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(图: ITmedia NEWS )宇宙中有“强相互作用(强力)”、“电磁相互作用(电磁力)”、“弱相互作用(弱力)”、“重力相互作用(重力)”4种基本力“基本相互作用”。 但是除了这些以外，还有预言存在未知力“第五力( Fifth force )”的理论。【查看图像】中子星的想象图( Credit: Casey Reed )【全部3张】第五种力出现在整合广义相对论和量子力学的理论中，或者是说明重力相互作用极弱的理论中。 但是，至今还没有证明第五种力量存在的观测结果。 德国研究机构“德国电子同步加速器”的达米亚诺·FG·菲奥特里罗等研究小组测量了宇宙中高密度天体“中子星”的温度，根据与理论上预测的温度的偏差进行了第五种力性质的探索。 结果，虽然没能发现第五种力量，但是在使用天体的研究中，以前所未有的精度成功地缩小了第五种力量的性质。 这次的研究结果提示，在第五力的探索中天体的观测是合适的。 那么我来介绍一下到底是什么样的研究。
有关于重力之谜的未知力量吗？在介绍研究之前，我先介绍一下与第五力密切相关的重力相互作用。 在开头提到的4个基本力“基本相互作用”中，重力相互作用是最亲近的力，但也是现代物理学中谜团最多的力。 即使想在记述原子以下的微观世界的量子力学中加入重力，由于性质特殊，也无法很好地加入。 在科幻的上下文中，作为传播重力相互作用的基本粒子，有时会举出引力子，但这并未出现在基本粒子的基础性理论“标准模型”中，别说发现了，就连是否存在也不清楚。 重力相互作用与其他3个基本相互作用相比是几十位数弱的力，在现在的量子力学中，将其作为没有重力相互作用来处理。 但是，这是无法描绘出黑洞中心部和宇宙诞生瞬间等重力无法忽视的微观尺度现象的原因。 原本，与其他3个基本相互作用相比，重力相互作用极其弱的力这一点本身也是一个大谜团。 考虑到其他三个之间最多只有6位数的差距，低几十位数的重力相互作用太弱了。 产生这种差异的原因目前也几乎不清楚。 为了解决这些谜题，人们提出了各种各样的理论，但在这些理论中，会出现未知的相互作用，这与已知的四种基本相互作用中的任何一种都不相符。 因为是第五种力，所以被赋予了“第五力”这样的临时名称。 第五力的性质因理论而异，有时也有自己的名字，例如“迪伦( Dilaton )”。 但是在大多数情况下，第五力比重力相互作用更弱，且与重力相互作用方向相反斥力被假定为。 另外，重力相互作用和电磁相互作用可以到达无限的距离，强相互作用和弱相互作用只能到达原子核以下的距离，而第五力是介于其中间、几米到几千米范围内的相互作用。 如果存在第五力的话，为了稍微抵消重力相互作用，“重力相互作用与距离的平方成反比而减弱”的平方反比定律(平方反比定律)应该不成立。 因此，尝试通过精密测量重力相互作用来找到第五种力，但目前还没有成功。 已经验证了重力相互作用的逆平方律在细菌大小的1μm以下是严格成立的。 在比这更短的距离内验证重力相互作用的强度在技术上是困难的，至少目前还做不到吧。
从中子星的冰冷中探索第五种力量菲奥里洛等研究小组通过观测宇宙中名为“中子星”的天体的方法，验证了第五种力量的存在。 中子星是指重量超过太阳8倍的恒星，在其寿命的最后遗留是天体。 恒星核心的原子核被推进到极限，是一个密集的天体，可以说是一个巨大的“原子核”。 与在中心进行核聚变的恒星不同，中子星本身不进行任何活动，不生产能量。 因此，中子星逐渐冷却，其冷却速度可以根据4个基本相互作用进行预测。 但是，如果在这里施加第五力的话，话题就会改变。 在此次研究中，传播第五力的基本粒子假定为“标量粒子”(自旋为0的粒子)，与原子核相互作用，产生从原子核释放能量的物理过程。 再简单一点说就是这样。 预计构成原子核的质子和中子相互作用力时，除了已知的现象外，还会生成新的传播第五力的基本粒子，从原子核中逃逸。 原子核会失去生成的基本粒子的量的能量，温度会下降。 也就是说，如果有第五种力量，天体会比预想的更快失去能量，冷却。 这种冷却过程可能也发生在恒星和白矮星中。 但是中子星是质子和中子距离比这更近、密度更高的天体。 因此，与其他天体相比，冷却速度的差异也很大显着来定义自定义外观。
成功缩小了第五力量菲奥里洛等人观测了不受其他天体影响的孤立的5颗中子星，根据其年龄调查了理论上预计的温度和实际的温度之间是否有偏差。 闲话不多说，这次调查的中子星中的4颗，俗称“玛格妮菲森7这是被称为“( The Magnificent Seven )”的七颗中子星的一部分。 直译过来就是“宏伟的7人”，这是根据电影《荒野的7人》原题的通称。 观测结果和理论的对照结果，在中子星上没有发现超出理论预想的过剩冷却。 这本身可能是令人遗憾的结果，但另一方面，作为这个类型的研究是很大的成果。 虽然还有其他观测天体探索第5力的尝试，但是在这次的研究中，传播第5力的基本粒子的质量改善了4位数，第5力与原子核相互作用的强度改善了2位数，以历史最高的精度缩小了第5力的存在范围。 这次的研究假设传播第五力的基本粒子是标量粒子。 因此，例如，与其他基本相互作用相同，为量规粒子(自旋不为0的玻色粒子)时，本次的研究方法不适用。 但是，即使是这样，由于也参与了冷却中子星的其他物理过程，所以仍然可以从中子星的冷却速度中缩小第五力的性质。 这次的研究结果是，天体观测可以作为适合探索未知相互作用的事例之一被列举出来。 参考文献Damiano F.G. Fiorillo，et al .“leading bounds on micrometer to pico meter fifth forces from neutron star cooling”. physical review lon 135(21 ) 211003.doi:10.1103/tlqz-713 s Ingrid fad elli.( dec 5，2025 )“probing the existence of a fifth force via neutron stal”
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