[Перевод] Судьба пятого взаимодействия в физике висит на волоске
«Смотрите-ка, мистер Галилео всё правильно рассчитал». Это заключение было основано не на самом аккуратном эксперименте, но он был одним из самых зрелищных — поскольку проходил на Луне.
В 1971 году космонавт миссии Apollo 15 Дэвид Скот уронил пёрышко и молоток с одной высоты и обнаружил, что они одновременно достигли лунной поверхности. Ускорение, придаваемое гравитацией, не зависит от состава или массы тела, как и предполагал Галилей в своём (апокрифическом) эксперименте с Пизанской башней.
Или всё-таки зависит? Перенесёмся на первую страницу The New York Times в январь 1986 года: «Намёки на пятую силу во Вселенной меняют открытия Галилея». В газете описывалась научная работа из уважаемого журнала Physical Review Letters, проделанная физиком Эфрэймом Фишбахом и его коллегами. В ней приводились доказательства того, что ускорение, придаваемое гравитацией, зависит от химического состава рассматриваемого объекта. Получалось, что гравитация оказалась не такой, как мы думали: на её действие, по словам авторов, влияет то, что репортёр The New York Times Джон Нобл Уилфорд назвал «пятым взаимодействием», добавив его к четырём уже известным нам силам.
За более чем 30 лет было проведено множество экспериментов, пытавшихся подтвердить наличие предполагаемой пятой силы. Несмотря на их чрезвычайно высокую точность, ни один не представил убедительных доказательств её наличия. Но поиски не останавливаются. Только в прошлом году новый соблазнительный намёк на существование такой силы появился в экспериментах ядерной физики, что привело к новым спекуляциям и волнениям.
На волоске висят фундаментальные принципы современной физики. Некоторые физики считают, что пятая сила возможно, и даже необходима, для расширения и объединения существующих сегодня теорий. Другие надеются, что такая сила прольёт свет на загадочную тёмную материю, перевешивающую всю обычную материю во Вселенной. Если она существует, говорит физик Джонатан Фенг из Калифорнийского университета в Ирвине, «это означало бы, что наши попытки объединения известных сил были преждевременными, поскольку теперь необходимо объединяться ещё и с пятой».
А чего же рассуждать по поводу нового фундаментального взаимодействия, если ему нет никаких доказательств? Первоначальная мотивация была понятна ещё во времена Галилея. Массу можно описать двумя способами. Один — это инерция: масса объекта есть сопротивление к движению, и чем больше масса, тем больше сопротивление. Другой — гравитация: согласно закону гравитации Ньютона, сила притяжения, испытываемая двумя объектами, пропорциональна произведению их масс, делённому на квадрат расстояния между ними. Эта сила заставляет падающее яблоко ускоряться. И только если два определения массы идентичны, гравитационное ускорение не зависит от количества ускоряемой массы.
Но идентичны ли они? Если нет, тогда разные массы будут падать под воздействием гравитации с разной скоростью. Интуитивное представление о том, что большая масса должна быстрее падать, вдохновляла людей на тесты задолго до Галилея. Симон Стевин, фламандский естествоиспытатель, сбрасывал свинцовые шары с часовой башни в Делфте в 1586 году, и не нашёл разницы во времени, требовавшемся им для того, чтобы достичь земли. Сам Ньютон проверял эту идею в 1680 году, измеряя, совпадает ли период качания у маятников разных масс, но одинаковой длины –, а они должны совпадать, если гравитационное ускорение не зависит от массы. Его исследования были повторены с большей точностью немецким учёным Фридрихом Вильгельмом Бесселем в 1832 году. Они не обнаружили видимой разницы.
Идея совпадения инерционной и гравитационной масс известна, как «слабый принцип эквивалентности» (СПЭ). Вопрос стал критичен, когда Эйнштейн сформулировал свою общую теорию относительности в 1912–1916 годах, основанную на идее, что силы, испытываемые объектом из-за гравитации, не отличаются от сил, испытываемых из-за ускорения. Если это не так, то ОТО работать не будет.
«Принцип эквивалентности — одно из базовых предположений ОТО», — говорит Стефан Шлямингер [Stephan Schlamminger], работающий в святая святых мира точных измерений, Национальном институте стандартов и технологий в Гейтерсберге. «И поэтому его необходимо тщательно проверить. Проверки принципа эквивалентности относительно дёшевы и просты, но обнаружение его нарушения может иметь серьёзные последствия. Было бы беспечным не проводить такие эксперименты».
Если произойдёт отказ СПЭ, у нас будут две возможности. Либо ньютоновское выражение для притяжения двух масс (присутствующее и в ОТО для не очень больших масс) немного неточное, и его нужно подправить. Либо с гравитацией всё в порядке, но существует новое, пятое взаимодействие, влияющее на неё. Пятое взаимодействие добавилось бы к четырём уже известным нам: гравитации, электромагнетизму, и сильному и слабому взаимодействиям, управляющим взаимодействиями субатомных частиц в ядрах атомов. Модифицированная гравитация или пятое взаимодействие — разница тут, по мнению Фишбаха, семантическая.
В любом случае, говорит Фенг, «нет причин, по которым не могло бы существовать незамеченное нами ранее пятое взаимодействие».
К тому времени, когда Эйнштейн связал ПСЭ со своей новой теорией гравитации, этот принцип уже довольно придирчиво проверили несколько раз. В конце XIX века представитель венгерской знати барон Лоранд Этвёш, работавший в Будапештском университете, понял, что его можно проверить при помощи баланса двух масс.
Этвёш использовал крутильные весы. Он присоединил два объекта к концам шеста, висящего на верёвке. Если вес объектов одинаковый — то есть, у них одинаковая гравитационная масса — тогда шест сбалансирован по горизонтали. Но массы также испытывают центробежную силу из-за вращения Земли, зависящую от их инерциальной массы. Если инерциальная масса эквивалентна гравитационной, то все силы будут сбалансированы, и шест не будет двигаться. В противном случае массы должны будут отклониться от горизонтали из-за вращения Земли.
И если отклонение у двух масс будет различным — к примеру, если отклонение от СПЭ зависит от состава массы — тогда шест будет испытывать вращающий момент. Даже если вращение будет очень малым, его можно измерить, к примеру, при помощи луча, отражённого от зеркала, закреплённого на шесте.
Но дело в том, что сила гравитации на Земле варьируется в зависимости от местности. Наша планета — не ровная и однородная сфера. У камней разная плотность, и они оказывают разные гравитационные усилия на объекты. Из-за точности эксперимента Этвёша даже присутствие поблизости зданий университета могло испортить результаты. Одним из способов устранения этого влияния было проведение измерений в двух разных ориентациях шеста — к примеру, когда он направлен с запада на восток, а потом с севера на юг. В обоих положениях эффекты от гравитации должны работать одинаково, но центробежные силы будут отличаться — поэтому любое отклонение от выполнения СПЭ выльется в разницу крутящего момента при разных положениях шеста. Этот подход согласуется с общей стратегией по проведению экспериментов с балансирами — не нужно беспокоиться по поводу локальных эффектов или точности измерения абсолютных величин.
Локальные возмущения со временем тоже могут меняться — даже проезжающий мимо грузовик может оказать небольшое гравитационное воздействие. Исследователям пришлось поработать над исключением таких переменных. Даже присутствие экспериментатора может иметь значение. Поэтому венгерские учёные находились на почтительном удалении, пока балансир успокаивался, а затем стремглав бросались в лабораторию снимать показания, пока он не изменил положения (период его поворота составлял 40 минут).
Этвёш построил крутильные весы так, что они стали произведением точного инженерного искусства. На одном конце шеста была стандартная масса из платины, а с другого конца закрепляли другие материалы. Шест стоял на треноге, способной поворачиваться для подстройки его ориентации. Повороты шеста отслеживались при помощи телескопа и укреплённого на шесте зеркала. Небольшие перепады температуры могли искривить аппарат и создать паразитное вращение, поэтому вся конструкция была заключена в закрытую и изолированную комнату. Для большей точности исследователи проводили дальнейшие эксперименты в тёмной комнате, чтобы свет не приводил к колебаниям температуры. Само устройство находилось под тентом, изолированным при помощи водорослей.
Почувствуйте возмущение силы: крутильные весы Этвёша были очень чувствительны к поворотному моменту, который мог свидетельствовать о наличии пятого взаимодействия
Венгерские учёные начали свои эксперименты в 1889 году, и не обнаружили никакого видимого вращения, связанного с отклонением от принципа эквивалентности у масс из нескольких различных материалов с точностью в 1 часть на 20 млн.
Итак, к концу XIX века не было причин сомневаться в СПЭ. Но к этому времени начали появляться другие причины. К примеру, открытие радиоактивности говорил о присутствии неизвестного источника энергии внутри атомов. Более того, ОТО Эйнштейна дала новый взгляд на вещество и массу. Всё выглядело так, что массу можно было преобразовать в энергию –, а также она зависела от скорости, увеличиваясь по мере приближения скорости объекта к скорости света. Памятуя обо всём этом, в 1906 году Королевское научное общество Гёттингена в Германии учредило приз в 4 500 марок за проведение более чувствительных проверок принципа эквивалентности «инерции и гравитации», предлагая в качестве эталона эксперименты Этвёша.
Даже сам Этвёш не удержался от соревнования. «Он был мировым экспертом по таким экспериментам», — говорит Фишбах. Он и его студенты Децсо Пекар и Джено Фекете смахнули пыль со своего эксперимента с крутильными весами, и посвятили тысячи часов проверкам других материалов: меди, воды, асбеста, плотного дерева, и т.п. Они отправили свои находки в 1909 году, заявив о повышении точности эксперимента до 1 части на 200 миллионов. Но полный отчёт не был опубликован вплоть до 1922, через три года после смерти Этвёша. Ещё один из его студентов, Джанос Реннер, продолжил работу и опубликовал её в 1935 году, заявив о проверке СПЭ с точностью в 1 часть на 2–5 млрд.
Была ли тогда реально возможна такая точность? Физик Роберт Дик, специалист по ОТО, выразил сомнения в этом, занявшись схожим вопросом в 1960-х. Вне зависимости от того, верна ли его критика, он с коллегами использовал более сложные крутильные весы и достиг точности в одну часть на 100 млрд. Они сумели сделать это, измеряя ускорение тестовых масс не только гравитацией Земли, но и притяжением Солнца. С таким подходом не было необходимости в возмущении баланса вращением аппарата: направление гравитационного притяжения само вращалось по мере продвижения Земли по орбите вокруг Солнца. Любое отклонение от СПЭ показало бы изменения в сигнале, согласующиеся с периодом вращения Земли в 24 часа, что давало возможность совершенно точно отличить полезные данные от ложных сигналов, возникших благодаря локальным гравитационным изменениям и другим факторам. Дик и его коллеги не увидели никаких признаков такого отклонения: никаких признаков того, что закон Ньютона необходимо исправлять пятым взаимодействием.
Остались ли физики довольны? А когда они вообще довольны?
Фишбах заинтересовался пятым взаимодействием после того, как услышал об эксперименте, проведённым его коллегой из Пердью, Роберто Колелой и его сотрудниками в 1975 году. Они пытались обнаружить следы влияния ньютоновской гравитации на субатомные частицы. Фишбаху стало интересно, можно ли провести такие эксперименты с субатомными частицами в ситуации, когда гравитация достаточно сильна для появления релятивистских эффектов, а не просто ньютоновских, не совсем точно описывающих гравитацию. Такой эксперимент мог предложить совершенно новый способ проверки теории Эйнштейна.
Он начал прикидывать возможность использования экзотических частиц «каонов», и их античастиц, антикаонов, возникающих в ускорителях частиц. Изучая работы по каонам, проделанные в ускорителе Fermilab, Фишбах начал подозревать, что на их поведение может влиять некая новая сила, чувствительная к такому параметру, как барионное число, B.
У этого свойства фундаментальных частиц, в отличие от массы или энергии, нет понятного, повседневного значения. Оно равно простой сумме количества ещё более фундаментальных составляющих, кварков и антикварков, составляющих протоны и нейтроны, находящиеся в ядрах атомов. Но вот, в чём штука: если новая сила зависит от барионного числа, она должна зависеть от химического состава материалов, поскольку у разных химических элементов имеется разное количество протонов и нейтронов. Точнее, она зависела бы от отношения числа B к массам составляющих вещество атомов. На первый взгляд такое отношение должно быть постоянным, поскольку атомные массы получаются из суммы протонов и нейтронов. Но на самом деле небольшая часть общей массы всех этих составляющих превращается в энергию, связывающую их вместе, и изменяющуюся в зависимости от атомов. Так что у каждого элемента есть своё уникальное отношение B к массе.
Сила, зависящая от состава. Разве не это искал Этвёш? Фишбах решил отмотать историю назад и тщательнее изучить результаты экспериментов венгерского барона. Осенью 1985 года он со своим студентом Кариком Талмаджем [Carrick Talmadge] подсчитал отношение B/масса для веществ, использованных Этвёшем. Обнаруженное ими удивило их самих.
Венгерская команда обнаружила крайне малые отклонения для измеренного гравитационного ускорения различных веществ, но, в отсутствие понятной схемы этих отклонений, их списали на ошибки. Но когда Фишбах и Талмадж построили график отклонений в зависимости от отношение В/масса, они обнаружили прямую линию, говорившую о существовании небольшого отталкивания масс, уменьшающего их гравитационное притяжение.
Fischbach, E. The fifth force: A personal history. The European Physical Journal H 40, 385–467 (2015).
Химический состав использованных Этвёшем объектов не всегда было легко восстановить — деревом «snakewood» называют пять разных видов растений, а как определить состав «нутряного овечьего жира», вообще непонятно –, но по их расчётам, взаимосвязь величин сохранялась. В одном из самых удивительных случаев отклонения для платины и кристаллов сульфата меди оказались практически одинаковыми. Оказалось, что почти все свойства этих материалов (плотность и т.п.) разные, а отношения В/масса — практически идентичные.
Фишбах и Талмадж представили эти открытия в своей нашумевшей статье 1986 года, при помощи Питера Бака, постдока, чьё владение немецким позволило ему перевести оригинальный отчёт команды Этвёша от 1922 года. Рецензентом выступил Дик, высказавший некоторые сомнения, но в итоге проголосовавший за публикацию. Дик позже опубликовал свою работу, заявлявшую, что аномалии в измерениях Этвёша можно объяснить воздействием на прибор температуры. Но всё же было довольно сложно увидеть, каким образом эти эффекты привели бы к такой убедительной корреляции с таким экзотическим свойством, как барионное число.
После публикации о работе писали многие — не только The New York Times, но и легендарный физик Ричард Фейнман. Фишбах, домой которому Фейнман позвонил через четыре дня после публикации работы, сначала даже решил, что это какой-то розыгрыш. Фейнман не был особенно впечатлён открытием, о чём он заявил и Фишбаху, и газете Los Angeles Times. Но сама его реакция на работу уже говорит о том, какое впечатление она произвела на заинтересованных лиц.
«Учитывая, что наша работа намекала на наличие нового взаимодействия в природе, — писал Фишбах, — может показаться удивительным, что процесс рецензирования прошёл так гладко». Возможно, что эта гладкость была обусловлена тем, что для подозрений о существовании пятого взаимодействия тогда уже были теоретические и экспериментальные причины.
В 1955 году американские физики китайского происхождения Ли Чжэндао и Янг Чжэньнин, разделившие через два года Нобелевскую премию за работу по взаимодействию фундаментальных частиц, интересовались идеей наличия нового взаимодействия, зависящего от барионного числа, и даже использовали работу Этвёша для обозначения ограничений на его силу. Ли встречался с Фишбахом всего через неделю после публикации его работы и поздравлял его с этим.
Более того, в 1970-х два геофизика из Австралии, Фрэнк Стэйси и Гари Так, очень точно измерили в глубокой шахте гравитационную константу, определяющую отношение масс и сил в ньютоновском уравнении гравитационного притяжения. У них получилось значение, сильно отличавшееся от полученного ранее в лабораториях. Объяснить это расхождение можно было, в том числе, введя новую силу, действовавшую на расстоянии в несколько километров. Измерения Стэйси и Така частично были вдохновлены работой начала 1970-х годов японского физика Ясунори Фуджи [Yasunori Fujii], исследовавшей возможность существования неньютоновской гравитации.
После 1986 года сезон охоты продолжился. Если пятое взаимодействие действует на расстояниях в десятки и сотни метров, можно будет обнаружить отклонения от предсказываемых ньютоновской гравитацией величин при падении объектов на большой высоте от поверхности Земли. В конце 1980-х команда из лаборатории ВВС США на базе Хэнском в городе Бедфорд, шт. Массачусетс, измеряла гравитационное ускорение при помощи 600-метровой телевизионной шахты в Северной Каролине, и сообщила о признаках существования «шестого взаимодействия», которое, в отличие от фишбаховского отталкивания, казалось, усиливает гравитацию. Но после тщательного анализа работы эти заявления были отвергнуты.
Самые тщательные исследования были проведены в Вашингтонском университете в Сиэтле командой физиков, решившей поиграть словами и из-за звучания венгерской фамилии Eőtvős взявшей себе название Eot-Wash. В их работе принимал участие физик-ядерщик Эрик Адельбергер, к тому моменту «ставший лучшим экспериментатором мира в области поиска отклонений от предсказаний ньютоновской гравитации», как говорил Фишбах. Команда Eot-Wash использовала сверхсовременные крутильные весы, и предпринимала множество мер предосторожности для устранения возможных артефактов. Они ничего не нашли.
Один из самых памятных и многообещающих экспериментов начался сразу после объявления в 1986 году, и был проделан Питером Тибергером из Брукхэйвенской национальной лаборатории в Аптоне, шт. Нью-Йорк. В его эксперименте полая медная сфера плавала в ёмкости с водой над обрывом. В 1987 году Тибергер сообщил, что сфера постоянно двигалась к обрыву, где гравитационное притяжение окружающего её камня было меньше — именно такого поведения можно было ожидать при наличии отталкивающей силы, противостоящей гравитации. И это было единственным доказательством существования пятого взаимодействия, опубликованным в известном научном журнале. Почему этот эксперимент привёл к такому результату? Никто не знает до сих пор. «Непонятно, что именно было не так в эксперименте Тибергера, и было ли там вообще что-то не так», — писал Фишбах.
К 1988 году Фишбах насчитал уже 45 экспериментов, искавших пятое взаимодействие. Но через пять лет только эксперимент Тибергера показал нечто похожее на неё. Выступая с докладом в честь десятилетия вышедшей в 1986 работу, Фишбах признал, что: «В настоящее время нет убедительных экспериментальных доказательств каких-либо отклонений от предсказаний ньютоновской гравитации. Перевес существующих экспериментальных данных не соответствует наличию каких-либо новых взаимодействий, действующих на средние или дальние расстояния».
Казалось, как печально сформулировал Фишбах, что он стал открывателем чего-то несуществующего. Общее настроение уловил физик Лоуренс Краус, работавший тогда в Йельском университете, который в ответ на работу 1986 года официально отправил в Physical Review Letters работу-розыгрыш, в которой он якобы провёл повторный анализ экспериментов Галилея с ускорением катившихся вниз с холма шаров, описанной в книге 1638 года «Математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению», и якобы обнаружил доказательства наличия «третьего взаимодействия» (в дополнение к гравитации и электромагнетизму). Журнал отверг работу, сформулировав отказ в духе самой работы: на основании того, что шесть рецензий на эту работу были явно написаны самим автором.
После нескольких десятилетий всеобщего не-обнаружения пятого взаимодействия можно решить, что игра окончена. Но физики ищут способы расширения основ своей науки, и поэтому желание поверить в существование пятого взаимодействия кажется всё более привлекательным, а причин для этого становится всё больше. «Сейчас уже можно найти тысячи работ, описывающих новые фундаментальные взаимодействия, которые могут стать источником пятого, — говорит Фишбах. — Теоретической мотивации хоть отбавляй».
К примеру, позднейшие теории, пытающиеся расширить физику за рамки «стандартной модели», описывающей все известные частицы и их взаимодействия, предлагают несколько возможностей для новых взаимодействий, пытаясь приоткрыть следующий слой реальности. Некоторые из них предсказывают существование частиц, способных работать переносчиками ранее неизвестных взаимодействий, точно так же, как электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие ассоциируются с частицами-переносчиками, такими, как фотон.
Группу моделей, предсказывающих отклонение от ньютоновской гравитации, называют модифицированной ньютоновской динамикой (MOND). Они пытаются объяснить некоторые особенности движения звёзд в галактиках, которые обычно объясняются при помощи гипотетической «тёмной материи», взаимодействующей с обычной только (или почти только) через гравитацию. Доказательств моделей MOND пока нет, но некоторые физики находят их всё более привлекательными, поскольку активные поиски частиц тёмной материи ни к чему не приводят.
Кроме того, по словам Фенга, пятое взаимодействие может помочь нам разобраться в тёмной материи. Насколько мы знаем, она взаимодействует с обычной материей только через гравитацию. Но если она вдруг будет ощущать и пятое взаимодействие, «это может обеспечить нам некий 'портал', через который мы, наконец, сможем взаимодействовать с тёмной материей не только при помощи гравитации, и понять, что же она собой представляет».
Более того, некоторые теории, использующие больше, чем три знакомых нам измерения — к примеру, наиболее любимые физиками варианты теории струн — предсказывают, что на расстояниях до миллиметра могут существовать силы, похожие на гравитацию, но существенно превосходящие её по силе.
Именно такие масштабы сейчас исследуют учёные. А это означает измерение сил с чрезвычайной точностью, действующих между небольшими массами, разделёнными очень малыми расстояниями. Три года назад Фишбах с коллегами занялись измерениями с участием частиц, расположенных на расстояниях от 40 до 8 000 миллионных долей миллиметра. Проблема с такими измерениями в том, что между такими близкими объектами уже проявляется притягивающая сила, возникающая из-за эффекта Казимира. Её природа та же, что и у сил Ван-дер-Ваальса, работающих на ещё меньших расстояниях и соединяющих молекулы меж собой. Они возникают из-за синхронного движения облаков электронов в объектах, что приводит к электростатическому притягиванию из-за наличия у электронов заряда. Эффект Казимира — это то, чем становятся силы Ван-дер-Ваальса, когда объекты разведены достаточно далеко — больше, чем на несколько нанометров — для того, чтобы играла роль временная задержка во флуктуациях электронов.
Фишбах и его коллеги нашли способ подавить эффект Казимира, уменьшив его в миллион раз, покрыв тестовые массы слоем золота. Они присоединили сапфировый шарик с золотым напылением и радиусом 1/150 000 мм к пластине, чьи движения можно контролировать с помощью электроники. Затем они организовали вращение микроскопического диска с участками, покрытыми золотом и кремнием, точно под шариком. Если есть разница во взаимодействии между золотом и кремнием, то это должно привести к вибрации шарика. Такого эффекта не было обнаружено, из чего следует, что можно накладывать ещё более сильные ограничения на возможную силу зависящего от материала пятого взаимодействия на микроскопических масштабах.
В таких экспериментах можно использовать и крутильные весы. Исследователи из Исследовательского института космических лучей в Токийском университете использовали такое устройство в поисках отклонений от стандартного эффекта Казимира, происходящих из-за пятого взаимодействия. Пока что они обнаружили лишь ещё более строгие ограничения на силу этого взаимодействия.
Кроме прямого обнаружения пятого взаимодействия, всё ещё возможно найти его так, как изначально хотел это сделать Фишбах: через высокоэнергетические столкновения фундаментальных частиц. В 2015 году команда из Института ядерных исследований в Дебрецене, Венгрия, под руководством Атиллы Красногоркаго [Attila Krasznahorkay] сообщила о неожиданных результатах, полученных во время эксперимента. Нестабильная форма атомов бериллия, полученная путём бомбардировки протонами литиевой фольги, распадается и испускает пары электронов и их античастиц, позитронов. Количество электрон-позитронных пар, выпущенных образцом под углом в 140 градусов, превышало остальные показатели, чего стандартные теории ядерной физики объяснить не могут.
Эти результаты, по сути, игнорировались, пока Фенг с коллегами в прошлом году не предположили, что их можно объяснить появлением в эксперименте новой частицы взаимодействия, быстро распадающейся на электрон и позитрон. Иначе говоря, эта частица может быть переносчиком пятого взаимодействия на короткой дистанции, в несколько триллионных долей миллиметра.
Этот опыт пока не воспроизвели другие исследователи, но находки венгерских учёных выглядят достоверными. Шансы на то, что это случайная статистическая флуктуация, малы: 1 из 100 млрд. «Более того, данные прекрасно соответствуют гипотезе, учитывающей новую частицу, — говорит он. — Если она существует, именно так её и можно обнаружить». Шлямингер соглашается с тем, что интерпретация венгерских наблюдений Фенгом была «одной из самых увлекательных вещей, произошедших в 2016 году».
«Нам ещё предстоит подтвердить факт существования новой частицы, — признаёт Фенг, –, но такое подтверждение было бы революционным, это было бы величайшее открытие в физике частиц за последние 40 лет». Его теоретическая работа предсказывает, что его предполагаемая частица всего в 33 раза тяжелее электрона. В таком случае её было бы довольно просто получить в столкновениях частиц –, но сложно увидеть. «Она очень слабо взаимодействует, и мы показали, что она не была бы обнаружена во всех предыдущих экспериментах», — говорит Фенг. Возможно, её можно поискать на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.
Так что гипотеза о существовании пятого взаимодействия вовсе не исчерпана. Можно сказать, что все наблюдения в фундаментальной физике или космологии, которые нельзя объяснить через существующие теории — через Стандартную модель или ОТО — должны заставить физиков рассуждать по поводу новых взаимодействий или новых типов материи, таких, как тёмная материя и тёмная энергия. Именно так всегда и работала физика: когда всё остальное не подходит, вы размещаете на доске новую фигуру и смотрите, как она двигается. Конечно, мы пока ещё не видели убедительных доказательств существования пятого взаимодействия, но и прямых подтверждений тёмной материи, суперсимметрии или дополнительных измерений тоже никто не наблюдал –, а ведь их искали. Мы исключили уже множество территорий, где могло встречаться пятое взаимодействие, но неисследованной осталась ещё огромная область.
Ограничения на возможную силу пятого взаимодействия α на больших (слева) и малых (справа) масштабах. Жёлтые участки показывают исключённые зоны, а метки границ относятся к отдельным экспериментам. Прерывистые линии на малых масштабах показывают возможные величины пятого взаимодействия, предсказываемые разными теориями
В любом случае, поиски продолжаются. В апреле 2016 Европейское космическое агентство запустило французский спутник Microscope, который должен проверить слабый принцип эквивалентности в космосе с небывалой точностью. Он использует две пары вставленных друг в друга цилиндров в свободном падении: одна пара сделана из одинакового сплава платины и родия, у другой пары внешний цилиндр сделан из более легкого сплава титан-ванадий-алюминий. Если цилиндры будут падать со скоростью, зависящей от материала — и отклонения от СПЭ достигнут 1 доли на тысячу триллионов (что в 100 раз меньше, чем можно измерить на Земле), то их можно будет определить при помощи электронных датчиков.
«Модели струнной теории предсказывают нарушения СПЭ на масштабах меньших, чем одна часть из 10 триллионов», — говорит Джоэл Берж, учёный из Французского центра аэрокосмических исследований ONERA, отвечающего за проект Microscope. Он говорит, что научная работа миссии началась в прошлом ноябре, а первые результаты появятся этим летом.
Несмотря на все эти высокотехнологичные эксперименты, Фишбах продолжает возвращаться именно к экспериментам с крутильными весами Этвёша. Тогда у венгров не было теоретической мотивации ожидать появления пятого взаимодействия, зависящего от материала — ничего, что могло бы подсознательно склонить их к искажению результатов их чрезвычайно точной работы. И всё же, они что-то такое обнаружили — не случайный разброс результатов, а систематическое отклонение. «Я всё думаю, возможно, я упускаю что-то по поводу того, что они там делали, — говорит Фишбах. — Пока это остаётся загадкой».
