H噢,!伽利略先生的发现是正确的。”这个结论不是基于你所见过的最仔细的实验，但它是最壮观的实验之一——因为它是在月球上进行的。
1971年，阿波罗15架宇航员大卫斯科特从同一高度下降了一根羽毛和锤子，发现它们同时撞到了月球表面。由于重力引起的加速度不依赖于身体的质量或组成，就像从比萨斜塔上的（可能的翼冰）实验一样，伽利略一样。
还是它?跳转到头版头条纽约时报1986年1月:“5TH.宇宙中的武力挑战伽利略的调查结果。“该报报道了首屈一指物理杂志的论文物理评论快报物理学家Ephraim Fischbach和他的同事，描述了由于重力而产生的加速度确实随所讨论物体的化学成分而变化的证据。重力似乎并不完全是我们所想的那样:它的影响被纽约时报记者约翰·诺布尔·威尔福德(John Noble Wilford)在我们已知的四种基本力量之外，命名为“第五种力量”。
30多年后，许多实验试图验证这一假定的第五种力。然而，尽管他们的预测非常准确，却没有人找到令人信服的证据。然而，搜寻工作并没有减弱的迹象。甚至在过去的一年中，核物理实验中出现了一个新的诱人的暗示，表明这种力量存在，引发了新的猜测和兴奋。
平衡中的挂起是现代物理学的一些基础原则。一些物理学家认为，甚至要求允许第五次力量，甚至要求努力延长并统一当前的基本理论。其他人希望这种力量可能会在神秘的暗物质上揭示似乎超过了宇宙中的所有普通事事。如果存在，说，加州大学的物理学家乔纳森冯，欧文，“我们暗示我们统一已知力量的尝试已经过时了，现在将有第五个统一。”
W在没有充分证据的情况下，为什么要推测另一种自然的基本力量呢?甚至在伽利略的时代，人们也很欣赏这个理论最初的动机:有两种思考质量的方式。一种来自惯性:一个物体的质量是其运动的“阻力”，它的质量越大，阻力越大。另一个来自万有引力:根据艾萨克·牛顿的万有引力定律，两个物体之间的万有引力，比如苹果和地球，与它们的质量除以它们之间距离的平方的乘积成正比。这个力使下落的苹果加速。当且仅当，质量的两种定义相同，重力加速度不依赖于被加速的质量。
它们是一样的吗?如果不是，那么不同的质量在重力作用下会以不同的速度下落。在伽利略之前，更大的质量应该“下降得更快”这一直觉概念就激发了测试。荷兰自然哲学家西蒙·斯特芬被认为是在1586年左右从代尔夫特的钟塔上扔下铅球的人，他发现铅球落地所需的时间没有明显的差别。牛顿自己在1680年左右验证了这一观点，他测量了不同质量但相同长度的摆是否有相同的摆动周期——如果重力加速度与质量无关，它们就应该有相同的摆动周期。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。他们都没有发现任何可察觉的差异。
重力可能很好，只要它 - 而且可能有一个新的第五力量，使它看起来不同。
惯性质量和引力质量是相同的这一观点被称为弱等效原理。当爱因斯坦在1912年至1916年前后阐述他的广义相对论时，这成为一个关键问题，该理论的核心思想是，重力引起的加速度与在自由空间中受相同力作用的物体的加速度是相同的。如果这不是真的，广义相对论就不会成立。
“等效原理是广义相对论的基本假设之一，”Stephan Schlamminger说，他在马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究所从事高精度测量。“因此，应该对它进行彻底的测试。对等价原理的检验相对便宜和简单，但如果发现违规，可能会产生巨大的影响。如果不进行这些实验，那就太粗心了。”
如果弱等价原理失效，那么有两种可能性。牛顿关于两个质量之间的引力的表达式(如果引力不是极端的，广义相对论也会预测这个表达式)有一点不准确，需要调整。或者重力可能是好的，但可能有一种新的，第五种力，使它看起来不同。第五种力会加上我们已经知道存在的四种力:重力、电磁力和支配原子核内亚原子粒子相互作用的强核力和弱核力。Fischbach说，无论我们想到的是“修正重力”还是第五种力，最终都只是语义上的区别。
冯小刚说，不管怎样，“没有理由说我们到现在还没有注意到第五种力量。”
B当爱因斯坦确定他的新引力理论时，弱等效原理已经经历了一些非常严格的测试。19世纪末，一位名叫Baron Loránd Eőtvős的匈牙利贵族在布达佩斯大学工作，他意识到可以通过将两个物体放在微妙的平衡中来测试。
Eőtvős使用了一种叫做扭力天平的仪器。他把两个物体系在一根用线悬挂着的水平杆的两端。如果物体有相同的重量——相同的重力质量——那么杆子就水平平衡。但由于地球自转，这些物体也会受到离心力的作用，离心力取决于物体的惯性质量。如果惯性质量和重力质量相等，所有的力都处于平衡状态，杆保持静止。但如果它们不同，那么由于地球的自转，质量就会偏离水平方向。
如果两个质量经历了不同的“摆动”——一种可能是由于弱等效原理的偏差取决于组成——那么杆将经历一个净扭转力(扭矩)，它将旋转。即使这种旋转非常微小，也可以通过测量附在杆子上的镜子的光束偏转来探测到。
现在，事实是，重力在地球上的每个地方都有轻微的变化。这是因为行星不是一个平滑的均匀球体。岩石的密度不同，所以施加的引力也略有不同。在Eőtvős实验的精确度下，即使是附近大学建筑的存在也会影响实验结果。消除这些局部变化的一种方法是对摇晃的杆子的两个不同方向进行测量，比如东西方向和南北方向。两者都应该经历相同的局部重力效应，但离心力会有所不同——因此，弱等效的任何偏差都会在两个测量值之间显示出扭矩的差异。这种方法符合设置平衡实验的一般策略差异在两个测试质量或配置之间的重力加速度:这样，你就不需要担心局部效应，也不需要担心绝对力的测量精度。
然而，局部扰动也可能随时间而变化:即使是一辆路过的卡车也可能引起微小的引力扰动。所以研究人员必须小心地排除这些因素。事实上，即使是观察的实验者的存在也可能有影响。因此，匈牙利科学家们会在天平开始平衡时站得远远的，然后冲进实验室，在它有时间调整到他们的存在之前进行测量(它的扭转周期是缓慢的40分钟)。
Eőtvős建造了一个经过修正的扭力天平，这是精密工程的杰作。悬挂杆一端为标准铂质，另一端悬挂其他物质的样品。杆被安装在三脚架上，三脚架可以转动来改变杆的方向。连接在运动部件上的望远镜和镜子可以显示出杆是否发生了旋转。环境温度的微小不平衡可能会引起设备的扭曲，导致虚假的旋转，因此整个组件被封装在一个密封的、绝缘的腔室中。为了使实验更加精确，研究人员后来在一个黑暗、封闭的房间里进行，这样光线就不会产生温度变化。更重要的是，他们把设备放在一个用海藻绝缘的双层帐篷里。
1889年，匈牙利的研究人员开始了他们的扭转平衡实验，当时他们发现，由于几种不同物质的质量偏离了惯性质量当量，无法探测到旋转，其精度为2000万分之一。
因此，到19世纪末，似乎没有理由怀疑弱等价原则。但就在那时，新的原因开始出现。首先，放射性的发现表明原子内部存在未知的能量来源。更重要的是，爱因斯坦的狭义相对论为物质和质量提供了一个新的视角。质量似乎可以转化为能量，而且它对速度很敏感，当物体的速度接近光速时，它就会增加。考虑到这一切，1906年，德国皇家科学学会Göttingen为更敏感的“惯性和引力等效性”测试提供了4500马克的奖励，并引用Eőtvős的“实验作为灵感”。
它开始似乎虽然Fischbach是不存在的东西的发现者。
eőtvōs自己无法抗拒返回磨损。“他是这种实验的世界专家，”Fischbach说。他和他的学生DezsëPekár和詹妮·菲克特在布达佩斯散发出扭转平衡实验，达到数千小时来测试不同的材料：铜，水，石棉，茂密的木材等等。他们于1909年提交了他们的调查结果，声称提高了2亿份的准确性。但在eőtvős死后三年后，这项工作的完整报告才出版至1922年。他的另一个学生János·雷纳，在1935年继续工作并在匈牙利语发表它，声称核实对等当量较弱的原则到2-5亿次。
在当时，这种敏感性真的有可能吗?物理学家、广义相对论专家罗伯特·迪克(Robert Dicke)在20世纪60年代研究这个问题时曾表示怀疑。不管Dicke的批评是否正确，他和他的同事们使用了一种更复杂的扭力天平，其精确度达到了1000亿分之一。他们是通过测量他们测试质量的加速度而不是由地球的引力引起的，而是由太阳的引力引起的。这意味着没有必要通过旋转来扰乱它的平衡:当地球围绕太阳转动时，引力的方向本身也在旋转。弱等效性的任何偏差都应该表现为每24小时随地球自转而变化的信号，从而提供了一种精确的方法来区分这种信号和由于本地引力变化或其他干扰而产生的错误信号。迪克和他的同事们没有看到这种偏差的迹象:没有迹象表明牛顿的万有引力定律需要修正第五个力。
现在物理学家满意了吗?他们是永远吗?
F1975年，他在普渡大学的同事Roberto Colella和同事们做了一个实验，观察牛顿引力对亚原子粒子的影响，之后，伊斯巴赫对第五种力产生了兴趣。费施巴赫想知道，是否有可能在引力足够强大的情况下，用亚原子粒子进行类似的实验，使广义相对论，而不是牛顿的理论，正确地描述引力，然后可能提供一个全新的方法来检验爱因斯坦的理论。
他开始考虑使用一种叫做“介子”的奇异粒子和它们的反物质兄弟“反介子”来做这件事，这种粒子是在粒子加速器中产生的。在芝加哥附近的费米实验室的加速器上分析了对k介子的研究，使费施巴赫怀疑某种新的力可能正在影响粒子的行为，而这种力对重子数很敏感B．
这是基本粒子的属性，与质量或能量不同，没有任何日常含义。它等于更加基本成分的数量的简单算术和，称为夸克和古绿币，构成原子核的质子和中子。以下是：如果这一新力依赖于Baryon号，则应依赖于材料的化学成分，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，这取决于比率B到组成原子的质量。因为原子质量是由质子和中子的总和决定的，所以这个比例看起来很天真。但实际上，所有这些成分的总质量中有一小部分转化为使它们结合在一起的能量，这一能量因原子而异。所以每个元素都是唯一的B/质量比。
依赖于组成的力量......嗯，不是那种eőtvōs正在寻找的东西？Fischbach决定返回并仔细观察匈牙利的男爵的结果。在1985年秋天，他和他的学生卡车塔拉姆计算了B/eőtvōs及其学生样本中物质的质量比。他们发现了什么。
匈牙利团队发现了对不同物质的重力加速度非常小的偏差，但显然缺乏任何模式，这表明这些只是随机错误。但是当弗里奇巴赫和塔尔曼德绘制这些偏差时B/质量比，他们发现了一个直线关系，表明一种力引起了质量之间非常小的斥力，减弱了它们的引力。
Eőtvős’样本的化学成分并不总是容易推断的——对于蛇木和板油，谁能确定呢?但在他们看来，这种关系是建立起来的。在一个最引人注目的例子中，铂和硫酸铜晶体被证明具有相同的偏差。关于这两种物质的一切(密度等等)都是不同的——除了它们几乎相同B/质量比。
费施巴赫和塔尔梅奇在他们1986年发表的论文中展示了这些发现，这篇论文引起了人们的极大关注。在博士后彼得·巴克的帮助下，他精通德语，翻译了Eőtvős团队1922年的原始报告。迪克对普渡大学的论文进行了审查，他表示了一些怀疑，但最终觉得应该发表。迪克随后发表了一篇论文，声称Eőtvős测量中的异常可以用仪器中的温度梯度来解释。然而，很难看到这种日常环境影响如何最终与重子数这样奇特的数量产生如此令人信服的相关性。
一旦这个词出来了，世界来电 - 不仅仅是纽约时报还有传奇人物理查德·费曼，他在论文发表四天后打电话到费施巴赫家，起初以为是恶作剧。费曼不为所动，他对费施巴赫和洛杉矶时报．但对于他来说，表现出兴趣表明了普渡大学团队的挑衅结果如何引起了人们的议论。
C“考虑到我们的论文是在暗示自然界中存在一种新的力量，”Fischbach写道，“这似乎令人惊讶，参考过程进行得如此顺利。”但也许这条道路已经变得平坦了，因为已经有了理论和实验的理由来怀疑第五种力的存在。
早在1955年,美籍华人物理学家杰李和灯光,他们共享诺贝尔奖两年后从事基本粒子的相互作用,探索新力量的想法取决于重子数,甚至用Eő电视ős的工作限制多强。在Fischbach的论文发表一周后，Lee见到了他，并向他表示祝贺。
更重要的是，在20世纪70年代末，澳大利亚的两位地球物理学家弗兰克·斯泰西和加里·塔克在一个深矿井中精确测量了牛顿引力方程中把力和质量联系起来的引力常数。他们报告的数值与之前在实验室中测量的数值有显著不同。解释这些结果的一种方法是调用一个新的力作用在几公里的距离上。斯泰西和塔克的测量在一定程度上受到了日本物理学家藤井泰则(Yasunori Fujii)在20世纪70年代早期关于“非牛顿引力”可能性的研究的启发。
这只是物理始终工作的方式：当所有其他人失败时，您将在董事会上放置一个新一块，看看它是如何移动的。
1986年之后，追捕行动开始了。如果第五种力确实在数万到数千米的距离上起作用，那么就有可能探测到与牛顿引力理论预测的在地球表面高空自由落体的偏差。在1980年代末一个团队在美国空军实验室在贝德福德,马萨诸塞州,测量重力加速度在北卡罗来纳州一个电视塔600米和报告的证据实际上似乎是一个“六力,与菲施巴赫的排斥第五似乎提高重力。然而，在随后的分析之后，这些主张消失了。
最广泛的研究是在西雅图的华盛顿大学(University of Washington)由一组物理学家进行的，他们根据正确的匈牙利发音“Eőtvős”(与“Ert-wash”相近)，称自己为“奥特-wash小组”(Eot-Wash group)。他们由核物理学家埃里克·阿德尔伯格(Eric Adelberger)共同领导，据费施巴赫(Fischbach)说，阿德尔伯格“目前已成为世界上寻找偏离牛顿引力预测的主要实验家”。Eot-Wash团队使用了最先进的扭力天平，采取了各种预防措施来消除测量结果中的人为因素。结果:没有。
1986年公告公布后不久，纽约布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的彼得·蒂耶伯格(Peter Thieberger)开始了一项最能引起人们回忆和启发的实验。他把一个空心的铜球放在水箱里，放在悬崖边上。1987年，Thieberger报告说，球体始终沿着边缘的方向移动，在那里，周围岩石的引力较小——正如你所预期的，如果确实存在某种排斥力抵消重力的话。这是发表在著名物理学杂志上的第五种力的唯一确证证据。为什么只有它看到了这样的事情?这仍然是个谜。“尚不清楚Thieberger的实验是否出了什么问题，”Fischbach写道。
到1988年，菲施巴赫计算出至少有45个实验在寻找第五种力。然而，五年后，只有蒂埃伯格的餐馆有过这种迹象。跟十周年的1986年的论文,Fischbach承认“目前尚无令人信服的实验证据的任何偏离的预测牛顿引力…大量现有实验数据不兼容的任何新的中程和远程部队。”
它开始似乎好像，因为菲兹巴赫·鲁厄地把它放了，他是不存在的东西的发现者。物理学家劳伦斯基兰·克劳斯，随后在耶鲁大学，通过正式提交来回应1986年纸张的情绪物理评论快报声称在他的1638本书中报告了一个欺骗性的论文对Gallero对Galls下坡的加速的实验进行了分析，并在他的1638本书中报道两个新科学的论述，并发现了“第三种力”存在的证据(除了重力和电磁力)。这篇论文被期刊拒绝的原因和它被提交时是一样的:基于六名伪造的审稿人清楚地写在内部的报告。
一个几十年的几十年来几乎普遍的非检测第五力量，你可能认为游戏结束了。但是，如果有的话，由于物理学家寻求扩展他们的科学基金会，就有一些人的理由变得更具吸引力和多样化。“现在有数千篇论文暗示了新的基本互动，这可能是第五次力量的来源，”弗斯奇巴赫说。“理论激励是非常压倒性的。”
例如，最新的理论试图将物理学扩展到“标准模型”之外，“标准模型”解释了所有已知的粒子及其相互作用，在试图揭示现实的下一层时，提出了几种新的相互作用的可能性。其中一些理论预测，新的粒子可能充当先前未知力的“载体”，就像已知的电磁、强力和弱力与“力粒子”(如光子)相关一样。
一群模型预测偏离牛顿引力叫做修正的牛顿动力学MOND (MOND)也已提出的某些方面占恒星在星系的运动,否则通常通过调用一个假设的“暗物质”解释说,与普通物质只有(或者几乎唯一的)通过引力。目前还没有发现支持MOND理论的明确证据，但一些物理学家发现，由于对暗物质粒子的广泛搜索没有发现任何迹象，MOND理论越来越有前景。
现在物理学家满意了吗?他们是永远吗?
此外，冯说，第五次力量可能有助于我们了解暗物质本身。据我们所知，暗物质只通过重力与其他物质相互作用。But if it turned out to feel a fifth force too, then, Feng says, “it could provide a ‘portal’ through which we can finally interact with dark matter in a way that is not purely gravitational, so we can understand what dark matter is.”
更重要的是，一些理论在我们熟悉的三维空间之外提出了额外的维度，比如目前最受欢迎的弦理论版本，预测可能有类似但比重力大得多的力作用于毫米或更短的距离。
这就是一些研究人员正在研究的规模。这意味着要非常精确地测量由非常小的间隙隔开的小质量之间的力。三年前，Fischbach和他的同事着手研究相隔仅为40到8000万分之一毫米的微小粒子。这种测量的困难在于，在这么近的物体之间已经存在一种引力，叫做卡西米尔力。这和所谓的范德华力有相同的起源，范德华力作用在更接近的地方，并弱地把分子粘在一起。这些力来自于物体中电子云的同步晃动，由于电子的电荷而产生静电引力。卡西米尔力基本上就是范德华力，当物体之间的距离足够远(超过几纳米)，电子波动穿过间隙到物质之间的时间延迟。
Fischbach和他的同事找到了一种抑制卡西米尔力的方法，通过在他们的测试质量上涂上一层金，使卡西米尔力减弱了一百万倍。他们将一颗半径约为15万分之一毫米的镀金蓝宝石珠子固定在一块实心平板上，平板的运动可以被电子设备检测到。然后他们旋转了一个微小的圆盘，上面有金和硅的斑块，就在珠子下面。如果金和硅所施加的力有任何不同，就会产生珠子的振动。他们没有看到这样的效应，这意味着他们可以在这些微观尺度上对依赖于材料的第五力的可能强度施加更严格的限制。
扭力平衡测量也可以用于这个区域。东京大学宇宙射线研究所的研究人员使用该设备来寻找由第五种力引起的偏离标准卡西米尔力的情况。他们所发现的只是对这种力量的强度有更严格的下限。
除了直接探测到第五种力外，它还可能以菲施巴赫最初设想的方式发现它:通过基本粒子的高能碰撞。2015年，匈牙利德布雷森核研究所(Institute for Nuclear Research)的一个由阿提拉·克拉斯纳霍伊(Attila Krasznahorkay)领导的团队报告了一件意想不到的事情:一种不稳定形式的铍原子，通过向锂箔发射质子而形成，通过发射电子对及其反物质对应的正电子而衰变。从样本中射出的电子-正电子对的数量增加了，射出角度约为140度，这是标准核物理理论无法解释的。
结果却忽略了，直到冯某和他的同事们建议去年，他们可以通过新的“力粒子”的短暂形成来占据，然后将其迅速衰变成电子和正电子。换句话说，这种假设颗粒将带有第五力，仅为毫米的几万千秒。
虽然他们尚未被其他研究人员复制，但匈牙利的研究结果看起来很坚固。冯说，他们只是一个随机统计波动的机会是巨大的：大约110亿。“不仅仅是那个数据，数据非常适合他们由新粒子引起的假设，”他说。“如果存在这样的新粒子，这正是它将如何光明。”Schlamminger同意冯的对匈牙利观察的解释是“2016年发生的令人兴奋的事情之一”。
“我们还没有证实这是一种新的粒子，”冯承认，“但如果这是真的，那将是革命性的——至少40年来粒子物理学的最大发现。”他的理论工作预测，假定的新粒子仅比电子重33倍。如果是这样，应该不难在粒子碰撞中产生，但却很难看到。“这是非常微弱的相互作用，我们已经证明它可以避开所有以前的实验，”冯说。他补充说，也许可以通过设在日内瓦的CERN粒子物理中心的大型强子对撞机等对撞机来寻找。
然后，第五力的假设是，任何东西都耗尽了。In fact it’s fair to say that any observations in fundamental physics or cosmology that can’t be explained by our current theories—by the Standard Model of particle physics or by general relativity—are apt to get physicists talking about new forces or new types of matter, such as dark matter and dark energy. That’s simply the way physics has always worked: When all else fails, you place a new piece on the board and see how it moves. Sure, we haven’t yet seen any convincing evidence for a fifth force, but neither have we seen a direct sign of dark matter or supersymmetry or extra dimensions, and not for want of looking. We have ruled out a great deal of the territory that a fifth force might inhabit, but there is still plenty of terrain left in shadow.
无论如何，搜寻仍在继续。2016年4月，欧洲航天局发射了一颗名为“显微镜”(Microscope)的法国卫星，旨在以前所未有的精确度测试太空中的弱等效原理。它将在自由落体中放置两对嵌套的金属圆柱体:一对由同样重的铂铑合金制成，另一对由更轻的钛钒铝制成的外圆柱体。如果圆柱体下降的速度与物质的含量有很小的关系，以致于与弱等效原理的偏差在千万亿分之一的水平上发生，大约比目前在地球上的实验中探测到的小100倍——用卫星上的电子传感器测量差异应该是可能的。
“字符串理论模型预测WEP违规行为低于10万亿的一部分，”法国航空航天研究中心（Onera）的科学家JoelBergéManage，管理显微镜项目。他说，该特派团的科学运营于去年11月开始，今年夏天应该发布第一个结果。
尽管有这样的高科技研究，菲施巴赫一直回到Eőtvős扭力平衡实验。当时，匈牙利人没有理论动机去期待一个依赖于成分的第五种力量——没有任何东西可以在他们难以置信的精细工作中潜意识地影响他们。Fischbach说:“无论我们需要什么来解释他们的数据在当时根本没有也不可能在概念上存在。”然而，他们似乎确实看到了一些东西——不是随机分散的结果，而是系统性的偏离。Fischbach说:“我一直在想，也许我错过了他们所做的一些事情。”“这仍然是个谜。”
菲利普·鲍尔是伦敦的一位作家。他的新书是水王国：中国的秘密历史。
