第五种基础力的再探讨

　　关于四大基本力：引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力。要谈到这四种力的产生和特点，就不能不谈到从爱因斯坦开始的一个梦想：将宇宙中所有的力用一个简洁的公式统一起来。最近有科学家研究称：宇宙中可能存在第五种基本作用力。如果被证实，那将是里程碑式的深远意义。今天我们的题目是第五种基础力的再探讨。因为这个话题我们已经谈过（链接）。时隔几个月，加州的科学家给我带来什么新进展呢？

　　物理学认为自然界存在四大基本力：引力、电磁力、强核力和弱核力。这些基本力的作用让大到天体，小到分子甚至原子的物体不至于将自己撕成碎片，也是构成整个宇宙物理学规律的基石

　　两颗银河系近核区恒星的运行轨迹图。目前研究组正期待2018年夏季的到来，因为那是一颗编号为S0-2的近核区恒星最接近银河中心超大质量黑洞的时机

　　爱因斯坦的理论对引力做了非常优美的描述，但有很多证据显示这一理论中存在一些漏洞。仅仅是超大质量黑洞的存在本身就表明我们目前有关于宇宙如何运行的理论是不完善的，它似乎并不能够很好的解释黑洞的本质

　　这些基本力的作用让大到天体，小到分子甚至原子的物体不至于将自己撕成碎片，也是构成整个宇宙物理学规律的基石。但在最近几十年间，有一种观点认为自然界中可能存在着第五种基本力，如果这一观点得到证明，那这将彻底颠覆我们之前的许多观点，也将重塑我们对于宇宙运行基本规律的认识。

　　现在，科学家们认为他们终于有办法能够最终去检验这第五种力是否是真实存在的，而他们所采用的这种方法涉及对星系核心区域恒星运动的监测。

　　自然界的四种基本力构建了粒子物理学标准模型的基础，这是目前我们用于描述微观粒子世界的最佳工具。在这四种基本力当中，强核力和弱核力相对是属于微观世界的。强核力让原子核牢牢聚合在一起，而弱核力让某些原子的放射性衰变得以发生。

　　而相比之下，引力和电磁力发挥作用的尺度比较宏观。电磁力让分子能够结合在一起，而引力让行星和恒星不至于四分五裂。但这里存在的问题就在于，在我们理解引力本质的道路上，爱因斯坦的广义相对论似乎显现出一些令人困惑的地方。

　　引力是四大基本力中最后一种人类目前还在努力了解如何创造以及控制它的力。这种力本身不能解释它理应起作用的全部现象，比如测量显示宇宙中的引力总强度似乎无法用宇宙中全部已知物质的质量之和来解释。

　　直到现在，科学家们也只能用一种掩盖自身无知无奈的名词“暗物质”来指代那些产生了额外引力的宇宙“隐形质量”——科学家们认为它们应当存在，尽管我们对于它们的任何性质几乎都还是一无所知。

　　而由于目前严重缺乏能够有力证明暗物质存在的直接证据，有一部分科学家甚至主张应该将引力从四大基本力中拿掉，但是更多的科学家则持有相反观点，他们猜想，或许存在着第五种尚不为我们所知的基本力，能够填补上这个漏洞。

　　一个研究组近日提出了检验是否真的存在第五种基本力的终极验证方法，这一方法涉及对星系中心区域恒星运行方式的追踪测量。

　　该研究组表示，他们目前已经开始了相关测量工作，并计划将在未来20年内持续进行这项工作，最终他们将能够给出关于第五种基本力是否存在确定无疑的答案。美国加州大学洛杉矶分校星系核心研究组主管安德里亚·葛兹（Andrea Ghez）教授指出：“爱因斯坦的理论对引力做了非常优美的描述，但有很多证据显示这一理论中存在一些漏洞。仅仅是超大质量黑洞的存在本身就表明我们目前有关于宇宙如何运行的理论是不完善的，它不能够很好的解释黑洞的本质。”

　　超大质量黑洞一般存在于星系的核心，这样的区域内引力作用极为强烈，于是在该区域如果存在第五种自然力的作用，将更加容易被注意到。

　　研究组目前已经调阅了由夏威夷凯克望远镜所拍摄的迄今质量最高的银河系核心区域图像进行分析工作。他们将追踪距离银河系核心的超大质量黑洞最近的大量恒星的运行轨迹，以观察引力作用对于恒星运行轨道的影响。

　　如果真的有第五种自然力对恒星运行产生了影响，研究组将能够注意到。葛兹教授指出：“这真的令人兴奋。我们对于银河系核心区域恒星运动的研究正在开启引力研究的崭新方式。通过对20年间这一区域恒星运行方式的追踪研究以及凯克望远镜提供的高精度数据，我们将能够观察并为引力作用给出很多限定条件。”她说：“如果引力是由某爱因斯坦广义相对论之外的力量所驱动，我们将在恒星运行轨道中观察到与相对论预言相偏离的情况。”

　　这是首次在一个强引力场中对设想中的第五种力进行验证。在此之前，有研究组曾经尝试利用太阳系检验第五种基本力是否存在，但是最终发现这样做极端困难，因为太阳系的引力场太弱，检测难度会非常高。

　　葛兹教授表示：“我们非常兴奋能够开展这样的研究，因为我们可以问自己一个非常基本的问题：引力的如何工作的？”

　　目前葛兹教授和加州大学洛杉矶分校的研究组正期待2018年夏季的到来，因为那是一颗编号为S0-2的近核区恒星最接近银河中心超大质量黑洞的时机，届时它将受到最为强烈的引力作用。这一时刻也将是任何违背爱因斯坦广义相对论的现象最容易露出蛛丝马迹的时机。