暗能量可能来自第5种力？物理学家正在追踪“变色龙”粒子，或将颠覆现有的物理理论
文摘
科学
2024-07-02 17:33
北京
物理学家研制出了一种前所未有的精密仪器，来寻找神秘的“变色龙”粒子，这有可能彻底改变当前的物理学面貌。
文 | 汤姆·豪沃思（Tom Howarth）
编译 | 陈强
视觉设计 | 李梅
最近，美国加利福尼亚大学伯克利分校的一组物理学家研发了一种前所未有的精密仪器，旨在寻找加速宇宙膨胀的神秘力量——暗能量。
他们的实验结果已经发表在《自然》（Nature）杂志上，其实验目标是一种名为“变色龙”的假想粒子，这种粒子可能是理解暗能量这一神秘宇宙力量的关键。暗能量首次在1998年被识别，约占宇宙总质能的70%。尽管物理学家提出了许多理论，但其真实身份仍是一个谜。其中一个理论认为，宇宙中存在第5种基本作用力，不同于自然界已知的4种基本作用力（引力、电磁力、强核力和弱核力）。这种力将由一种被称为“变色龙”的粒子来传递。之所以叫这个名字，是因为这种粒子具有隐藏自身的能力。加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家霍尔格·米勒（Holger Müller）带领团队，使用了先进的原子干涉仪和光学晶格进行了实验。
如果这听起来过于专业，那是因为它确实如此。本质上讲，这种装置通过将处于自由落体状态的原子悬浮一段时间来进行精确的引力测量。让原子悬浮的时间越长，就越有可能证实或证伪变色龙粒子的存在。加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家在一个垂直真空室中固定了一小簇铯原子（粉色斑点），然后将每个原子的量子态分裂成两半，其中一半的量子态会更靠近钨重物（闪亮的圆柱体），另一半则位于钨重物的下方。（图片来源：Cristian Panda/UC Berkeley）“原子干涉测量利用的是粒子的量子特性，也就是波粒二象性。我们将波分裂，使粒子同时沿两条路径运动，然后在末端让它们发生干涉。”米勒说。“波可以同相位叠加，也可以异相位相互抵消。它们是同相位还是异相位，这非常敏感地依赖于你可能想要测量的某些量，比如加速度、引力、旋转或基本常数。”虽然以前的实验只能将原子悬浮几毫秒，但新设备可以让原子维持更长时间——从几秒到几十秒。这是一项重大的改进，使测量的精度提高了5倍左右。在最近发表在《自然·物理》（Nature Physics）杂志上的一篇论文中，米勒和他的团队将悬浮时间延长到了惊人的70秒。为了揭开变色龙粒子是否是暗能量的幕后推手，物理学家需要找到实验结果偏离现有引力理论的情况——自从400多年前牛顿建立他的万有引力定律以来，还没有人做到过这一点。
在最近的实验中，米勒和他的团队没有发现任何偏离牛顿引力定律的情况，这表明即使变色龙粒子真的存在，它们的影响也是十分微弱的。不过，这些物理学家仍持乐观态度。仪器精度的提高意味着未来的实验可以提供相关证据，来确定变色龙粒子或其他假想粒子是否就是暗能量的来源。参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07561-3
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02518-9
