所谓第五种力,就是第五种基本作用力的简称。直至目前为止,第五种力的客观性并没有得到验证和承认,还只是人们的一种猜想和臆断。在科学理论体系中,目前在自然界中发现存在着四种基本作用力,即电磁力、万有引力、强力和弱力。
* 四种力之外的另一种力
早在17世纪,意大利物理学家伽利略就曾在比萨斜塔上做过一次实验,意义十分深远: 两个重量不等的铁球从同一高度自由下落后同时着地。由此他得出结论:任何一种物体,如果在真空中自由下落,不论是一个铁球还是一根羽毛,其加速度必然是一样的,因而也肯定同时落地。这一观点对物理学家牛顿总结出关于力的运动的三大定律起了直接的推动作用;爱因斯坦的相对论也在这一基础上提出来了。
然而,如今多年来这个颠扑不破的真理,却遭到了严重挑战。一个以美国物理学家费希巴赫为首的科研小组经实验发现,在真空中不同质量的物体实际上并不具相同的加速度。费希巴赫推测,物体在下落时除了受引力的作用外,很有可能还受到另一种尚不为人所知的作用。
迄今为止,在宇宙中公认存在着4种力,第一种是引力,它是4种力中最弱的一种,是一个物体或一个粒子对于另一个物体或一个粒子的吸引;第二种力叫做电磁力,由于它的作用,形成了不同的原子结构和光的运动;第三种是强相互作用力,它把原子核内各个粒子紧紧地吸引在一起;第四种是弱相互作用力,它使物体产生某种辐射。
然而按费希巴赫的看法,现在新发现的这种力应该是宇宙中的第五种力,而且是一种排斥力,只具有几英尺到几千英尺的有限距离。从实验可推断,这可能是以一种“超电荷”形式出现的,“超电荷”可以抵消一部分引力,减缓下落物体的加速度。质子和中子的比例决定了减速的值,而且这个值和质子、中子总数加上结合能值即原子的总质量成反比。由于随原子的不同,结合能会有不同的大小,所以它所产生的这第五种力也就随结合能大小而异。由此可以得出:两个体积不同的物体,比如一个体积较小的铁块和一个体积较大的木块,即使它们的重量完全相同,也将因为它们结合能的不同而以稍微不同的速度下落。由于铁原子的结合能要比木原子的结合能大,所以铁块下落的速度要比木块的稍慢。
* 对第五种力的争论
费希巴赫小组的新发现,在科学界引起了巨大的轰动,对于是否存在第五种力,科学家们也展开了激烈的争论。
在进行各种有关引力的实验时,许多科学家也同样遇到了无法单纯以引力解释的现象,因此,这些科学家提出支持费希巴赫的证据。
但是,也有不少科学家坚持认为在自己的实验中并没有找到存在新力的证据。美国加利福尼亚大学著名物理学家纽曼就做过这样一个实验:在扭秤上悬挂一块铜块,把扭秤放在一个钢的圆筒内,铜块刚好处于圆筒中心靠边的位置,将它变换不同的位置。整个实验是在真空环境中并且严格排除磁场的影响下进行的。结果显示,钢圆筒的引力并没有使变动位置的铜块所受的重力产生任何影响。
面对科学家们的争论,费希巴赫也承认,还需要进行一系列的实验来证明第五种力是否确实存在。而众多科学家也都摩拳擦掌地为寻找这种神秘的力准备进一步的实验。比如说美国科罗拉多州的实验物理联合研究所就有重做伽利略的落体实验的计划,他们采用了激光来监测物体下落的速度。他们准备把下落物体放在上个盒子的真空轴内,以免在实验时受气流干扰;盒子下面再装一面反射镜,可将光线沿射来的方向反射回去。为了确保在下落时盒子及所装的各种物体保持相对稳定,盒子中还另有装置。一束激光在物体下落时可以被分割为二半,一半射向盒子,被反射回来,与另一半会合,产生出各种投影,这样就能够更加准确地描绘出在速度增加时一个下落物体所受到的各种干扰情况。他们的下一步打算是在在水面上进行实验,让要进行比较的试验物体浮游在水面,而不是悬在扭秤上。还要严格使水温保持在其密度量大时的3℃,以防止水中热的流动。
然而对于上述试图证明宇宙中存在新力的实验设想,许多科学家并不感到乐观。美国普林顿大学的一位科学家指出,证明伽利略论断的实验“在原则上是最简单的,但在实践中却是最复杂的。”因为在实验中人们很难照顾到全部复杂的因素,以及排除各种外部的干扰。做实验时,实验者本人引力的影响,近处底层发生一次难以察觉的运动,都可能使精心准备的各种方案功亏一篑。
此外,对于第五种力,科学家在可能带来的影响的估计上也没有形成共识。多数人认为,这可以动摇爱因斯坦相对论的理论基础,将是物理学上的一次“革命”,而且可能影响今后的物理学发展方向及新兴的航天学。但也有人认为,充其量这种力只是一种极其微弱、只在局部范围起作用的现象,并不一定动摇相对论。而结果还要等到这第五种力真的发现了才好判断。
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强度随距离平方而减少的场有两种,一种是电磁场,一种是引力场。这种减少比较缓慢,所以就算很远的地方,也能发现这两种场的存在。地球被太阳的引力场紧紧地抓住不放,虽然它离开太阳有1.5亿千米远,。
但是,在这两种场当中,引力场又比电磁场弱很多。一个电子所产生的电磁场要比它所产生的引力场大约强4亿亿亿亿倍。似乎表面上看引力场更强大,比如我们从高处跌落下来时会摔得很疼,这种巨大的引力只是因为地球太大了。由于地球的每个小块都对引力场有贡献,一点点加起来,总的引力场就显得可观了。
如果我们拿出1亿个电子,并让它们散布在地球那么大的空间里。这些电子就会产生和整个巨大的地球所建立的引力场一样强大的电磁场。
那么我们对电磁场的感觉为什么不像对引力场那样明显呢?这源于二者之间的区别,电荷有两种——正电荷和负电荷,因此,电磁场在产生吸引作用的同时,也可产生排斥作用。事实上,在像地球那么大的体积内,如果除了1亿个电子之外别无他物的话,这些电子就会互相排斥,远远地散开。电磁吸引力和排斥力的作用,能够让正电荷与负电荷均匀地混合起来,这样两种电荷的效应就趋于互相抵消,不过可能存在电荷数目的极其微小的差别。我们所研究的,也正是这种多一点或少一点某种电行时的电磁场。然而,引力场看来仅仅产生吸引力,每一种具有质量的物体都会吸引其他具有质量的物体,而当质量增加时,引力场就会增大,而且不会抵消。
如果某个具有质量的物体能排斥另一个具有质量的物体,而且正好与一般情况下彼此互相吸引时的强度和排斥方式一样,那么我们就得到了“反引力”,或叫“负引力”。
可能由于我们所能研究的一切物体都是由普通的物质微粒构成的缘故,人们还从未发现这种引力排斥作用。
世界上存在着一种各方面都与普通的粒子相同的“反粒子”,它们所产生的电磁场恰好同普通粒子相反。例如,如果某一种粒子具有负电荷,相应的反粒子就会有正电荷。也许,反粒子也会具有相反的引力场。两个反粒子会像两个普通粒子一样以引力互相吸引,但是一个反粒子却会排斥一个普通粒子。
让人抓狂的是,引力场太微弱了,要想发现引力场,需要相当大的质量,而单个粒子或反粒子的引力场是无法发现的。我们能得到普通粒子构成的大质量,但到现在仍未能搜罗到足够的反粒子。而且到现在也没有谁能够提出一种能够发现反引力效应的切实可行的办法来。