石無魚

宇宙的演化是一幕驚心動魄的連軸大戲。138億年前，隨著“砰”的一聲，幕布拉開了。隨后，一幕幕戲輪番上演：一顆顆恒星形成，又以超新星爆炸的形式化為灰燼;眾多相鄰的恒星組成一個大家庭——星系，星系又組成星系團;恒星坍塌成黑洞;黑洞張開永不饜足的大嘴，吞噬靠近它的一切;黑洞與黑洞又相互合并，在空間發(fā)出時空的漣漪……

但是，這幕宇宙大戲我們看得越久，越覺得它編排得草率粗糙，漏洞百出。有些地方情節(jié)太短;有些地方劇情跳躍;有的地方只留了個線索就中斷了;有些角色演得莫名其妙……總而言之，在這出戲里，總讓你覺得欠缺某種本該貫穿始終的東西。

宇宙學家也越來越明白，這樣東西是什么。我們假設只有四種基本作用力在驅動宇宙的演化，但理論和實驗表明，基本作用力可能不止四種，而是有五種，六種，甚至更多。如果這一猜測得到證實，那絕對是一件了不起的大事。

莫名其妙的宇宙暴脹

基本作用力在驅動著宇宙的演化。它們告訴各色“演員”——從粒子到行星——它們在宇宙演化這幕戲中扮演什么角色，如何動作。我們知道的四種基本作用力是引力、電磁力、弱核力和強核力。其中引力最孤僻，它是唯一不能用粒子物理學的“標準模型”來描述的一種力;然而偏偏是它，決定了宇宙的總體劇情發(fā)展。

宇宙演化故事中隱含的漏洞，從宇宙誕生那一刻起就開始了?，F(xiàn)在從最大尺度來看，星系似乎分布得非常均勻;宇宙各處的溫度也非常均勻?？墒?，按照大爆炸理論，情況不應該是這樣的。

為什么呢？我們需要先講點熱力學的知識。熱力學告訴我們，在一個空氣密度均勻的房間里，也并不是每一體積單元所包含的空氣分子數絕對相同;在某一刻，這一體積單元中分子數比平均值多幾個，那一體積單元中分子數比平均值少幾個，是很平常的事情。這叫漲落。一般來說，漲落的相對幅度是不變的。這意味著，密度越大，漲落的絕對幅度就越大。例如，假設漲落的相對幅度是0.001%，當分子密度是10000個/立方米時，漲落只有1個/立方米;當分子密度是1010個/立方米時，漲落就達10000個/立方米了。

似乎是暗物質在維持著旋轉星系。

既然是漲落，有漲有落嘛，所以任何一處的漲落都是不能持久的。這一刻比平均密度多了，下一刻可能就少了。通過這種方式，物質分布的均勻狀態(tài)得以保持。但這是一種動態(tài)的平衡，其前提是，每個體積單元的物質有充分的時間交換;倘若隔離開來，漲落可能就會永久保持。比如我們設想一個精靈，當它一發(fā)現(xiàn)房間里某體積單元中分子數比平均值多了10個，就立刻把這塊空間隔離起來，那么從此以后，這塊空間的密度就永遠比平均值多10個了。

為什么要說這些呢，因為大爆炸理論最初就遇到這樣一個難題。早期宇宙物質密度非常大，漲落的絕對值也勢必非常大，但另一方面，宇宙膨脹得又很快，各個區(qū)域的物質還沒來得及充分交換就因空間膨脹而彼此隔離了。這樣一來，最初的漲落就被保留下來，而且漲落的絕對幅度是非常大的。這意味著，我們今天觀察到的宇宙應該是相當不均勻的，然而這跟事實不符。

為了解決這個問題，有人提出一種所謂的“暴脹假說”。該理論說，宇宙在誕生之后不久，在極短的時間內經歷了一次暴脹：在遠遠小于1秒的時間里，宇宙的半徑增大了至少1026倍。暴脹之后，宇宙又恢復了正常的膨脹。暴脹極大地稀釋了宇宙早期的物質密度，使得隨后的密度漲落絕對值小了26個數量級。這樣一來，就算之后各個區(qū)域的物質相互隔離，各自演化，它們之間的差異也不至于太大。所以，我們今天觀察到的宇宙能如此均勻。

這個假說很漂亮，是不是？但我們不禁要問一句：宇宙為什么會神經質地暴脹呢？說實話，對這個問題誰也給不出滿意的答案，而且暴脹假說迄今也沒有得到任何觀測證據的支持。

至今還沒影兒的兩樣東西

前面我們已經談到了宇宙演化的第一個離奇劇情：暴脹。

第二個讓人困惑的問題是在20世紀80年代提出來的。我們知道，當一個星系旋轉時，組成它的物質也要跟著旋轉，假如沒有力拉著，旋轉的物質就會飛出去。引力在星系中就扮演了拉力的角色，它把星系的各個部分緊緊拽住。我們知道，引力是跟質量成正比的，但天文學家觀察到，大多數星系中并沒有足夠多的可見物質來產生足夠強的引力，來拉住星系邊緣的物質;不過，奇怪的是星系的邊緣居然也沒有解體。于是，宇宙學家提出，一定是一些額外的不可見物質的引力維持住了星系。他們稱其為“暗物質”。仔細一算，暗物質竟然占了宇宙物質總量的85%左右。但組成這種神秘物質的粒子是什么，它有哪些性質，我們至今都不知道。

第三個難題出在20世紀90年代末。當時人們通過對遙遠的超新星的觀測，發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在加速。按理說，在宇宙的大尺度上，只有引力在起作用，而引力只會把物質拽在一起，給宇宙膨脹“剎車”，所以隨著時間推移，宇宙膨脹應該不斷減速才合常理?？墒乾F(xiàn)在卻劇情大反轉，宇宙正在加速膨脹，你說多出人意料？于是，宇宙學家只好設想存在一種未知的能量，是它們在暗中與引力較量，推動宇宙加速膨脹。天文學家稱之為“暗能量”。經過計算他們發(fā)現(xiàn)，暗能量在宇宙總的物質-能量中，竟然又占大頭，比暗物質的份額還大。

暗能量究竟是什么？物理學家不得不到量子物理學中找候選者。在量子物理學中，空無一物的真空也是有能量的;可以說，真空就像一個沸騰的海洋，各種粒子不時從中蹦出又消失。但是當宇宙學家借助真空能來解釋暗能量時，他們卻發(fā)現(xiàn)，真空的能量太大了，比解釋宇宙加速膨脹所需要的暗能量，足足大了120個數量級?？磥戆的芰坎豢赡苁钦婵漳?。那它會是什么呢？宇宙學家對此一籌莫展。

引入新作用力的必要

這三個問題也許不是獨立的，也許有著同一個病根。有人認為，病根就在于萬有引力上。他們懷疑，現(xiàn)有的描述引力的理論，不論是牛頓的引力定律還是愛因斯坦的廣義相對論，都是有缺陷的。有人試圖“修正”牛頓的萬有引力定律，讓引力跟距離的二點幾次方成反比。這樣引力就弱下來了，似乎不必借助暗能量就能解釋宇宙的加速膨脹，但這樣一來，在別的方面制造的問題比解決的還多。而迄今描述引力的最嚴格的理論——廣義相對論就更難動搖了，因為它通過了一次次檢驗，包括最近對黑洞碰撞時產生的引力波的檢測。

我們學習寫作文，當故事寫不下去時，老師就鼓勵我們在故事中引入新角色。同樣的道理，當宇宙學家一籌莫展的時候，他們也開始考慮要不要在宇宙演化這幕大戲中引入新角色。這樣，第五種基本作用力就呼之欲出了。而且，確實有幾個跡象表明它可能存在。

讓我們先來看看，假如新的基本作用力存在，它應該具備什么特征，這樣在找的時候才能有的放矢。

前面提到，除了引力，電磁力、弱核力和強核力都可以被粒子物理學的“標準模型”解釋。在“標準模型”里，它們都是可以被“量子化”的，就是說，它們都有對應的傳遞作用力的玻色子（基本粒子家族按自旋可分成半整數和整數兩類。自旋為半整數的，稱為費米子;自旋為整數的，稱為玻色子。費米子構成物質，玻色子則傳遞相互作用力）。譬如，傳遞電磁力的是光子;傳遞弱核力的是W和Z玻色子;傳遞強核力的是膠子。這些粒子都是玻色子。

至于引力呢，目前還沒法用量子的語言來描述，因為人們還沒有將描述引力的廣義相對論與量子理論統(tǒng)一起來。不過，大多數物理學家相信，它們的“聯(lián)姻”是遲早的事。換句話說，引力最終也是可量子化的，也由相應的玻色子來傳遞。這個假想中的粒子被稱為“引力子”。

遵循這個邏輯，任何第五種基本作用力都必須是量子化的，都應該有對應的玻色子。反之，我們要是發(fā)現(xiàn)了一種新的玻色子，就可以有把握地說，我們找到了一種新的基本作用力。

前面提到，我們引入新角色目的是想一攬子解決三個問題。不過對于暴脹來說，這是一個138億年前的一次性事件，不管肇事者是誰，它可能早就離開舞臺了，我們無從追躡。然而，當談到另一個無法解釋的宇宙之謎——暗物質和暗能量時，我們似乎有一些線索。

新的玻色子，新的作用力

這要追溯到2015年，當時匈牙利一個研究小組注意到，不穩(wěn)定的同位素鈹-8核衰變時出現(xiàn)異常，似乎表明受到一個壽命更短、運動緩慢的粒子的干擾。它的質量約為17MeV，是電子質量的30倍多一點，但遠小于大多數已知粒子的質量。而且最重要的是，它看起來像一個玻色子。2019年底，該小組又報告在氦原子核衰變中出現(xiàn)類似的異常，暗示著存在一種新的玻色子，它以一種新的方式與原子核內的中子在短距離內相互作用。

由于玻色子的質量跟它所傳遞的作用力的強度和作用力范圍直接相關，研究人員計算出，該粒子傳遞的作用力是非常弱的，如果將其設想成存在于暗物質與普通物質之間的相互作用力，似乎蠻合適。因為我們知道，在暗物質與普通物質之間，除了引力，幾乎沒有其他作用;即使有作用，也是極其弱的。

這個發(fā)現(xiàn)以及對它的解釋，引起極大的爭議。一般來說，物理學家們期待的傳遞作用力的新粒子，要么質量非常重，傳遞的作用力距離非常短，以至于在目前人力所及的微觀尺度上還顯不出來（比如核力在宏觀世界就顯不出來）;要么質量非常輕，傳遞的作用力非常弱，以至于在微觀領域可以忽略不計（像引力）;這樣，跟現(xiàn)有的理論才能協(xié)調一致。而現(xiàn)在預言中的新粒子，兩者都不是，它的質量說輕不輕，說重不重。所以，這個解釋要說服人，還需要做更多的工作。當然，最重要的是先確認這個新粒子是否存在。目前意大利的一個小組正在做這類實驗，預計2021年會公布結果。

尋找變色龍力

與此同時，另一個研究小組正在設想一種強度會隨著環(huán)境而改變的力，他們稱其為“變色龍力”。其思想是，傳遞變色龍力的粒子會根據周圍環(huán)境的物質密度而改變其質量，從而改變其強度和作用范圍（因為粒子質量直接決定其強度和作用范圍）。在平均物質密度較高的地方（例如在地球周圍），變色龍粒子質量會更重，這意味著變色龍力在地球附近作用范圍較?。ㄙ|量大，作用范圍就?。?，因此難以被我們探測到。但變色龍粒子的質量在星系之間空無一物的空間會小得多，在那里它會有更大的作用范圍——假如它恰好是斥力，就可以解釋宇宙為何加速膨脹。

也許你對粒子質量會改變的想法感到奇怪。事實上，這類現(xiàn)象在物理學中并不鮮見。譬如，光從真空進入介質中傳播，速度會慢下來。對于這一現(xiàn)象，我們一般這樣解釋：靜止質量為零的光子從真空進入介質后，在前進途中遇到了介質的阻力。但還有另一種解釋：光一直在真空中傳播，只是一開始靜止質量為零，后來靜止質量不為零了，所以速度慢下來。這兩種解釋是等效的：介質阻力等效于光子靜止質量的增加。所以，粒子在傳播途中改變質量，在物理學上是允許的。

2018年，科學家進行了模擬，結果顯示，宇宙中加入變色龍力之后，一樣能形成我們現(xiàn)在所看到的星系。現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是，看看宇宙在有變色龍力和沒有變色龍力（只有引力）這兩種情況下，其長期演化的結果中有沒有什么細微差別，如果有細微差別，就可以通過下一代望遠鏡來驗證。

暗能量抵消了引力作用，使宇宙加速膨脹。

不過，有的人已經等不及了，他們希望通過實驗直接來尋找變色龍力。

2018年，英國的一個小組在地下實驗室開展了一項實驗。他們制作了一個保齡球大小的真空腔，中心有一個玻璃彈子大小的金屬球。根據設想，假如存在變色龍力，它在金屬球體和腔壁附近強度會大些（因為附近的物質密度大），而在兩者之間變色龍力的強度會減弱（因為是真空）。換句話說，變色龍力的力場是變化的。這樣一來，假如在真空腔內以一個微小的初速度扔進一個原子，它在運動過程中就會加速或減速，觀察它的運動，就能暴露變色龍力的存在。當然，這個實驗的精度要求非常高。

這個小組2019年報告了結果。他們沒有發(fā)現(xiàn)變色龍力存在的跡象，但理論家們不甘心，還在設想變色龍力“變色”的其他可能性。

這方面的工作最近幾年事實上很熱門，上面舉的只是其中的兩例。

現(xiàn)代物理學發(fā)展有一個趨勢，即物理學家總希望把所有力統(tǒng)一起來——愛因斯坦后半輩子主要就做這件事情。他們認為，只要把四種作用力統(tǒng)一起來，物理學的“大廈”就竣工了。但暗物質和暗能量的出現(xiàn)打破了他們的美夢，使他們意識到：我們現(xiàn)已擁有的四種基本作用力，只能解釋普通物質，而普通物質似乎只占宇宙物質-能量的5%;即便大統(tǒng)一的夢想實現(xiàn)了，物理學“大廈”也遠未竣工。還有很多重要的事情等著物理學家們去干，而探索新的基本作用力，就是其中一件意義重大的事情。

希格斯場不僅賦予各種粒子質量，本身也是一種基本作用力場。

拓展閱讀

基本作用力家族四兄弟

電磁力：解釋原子為什么結合在一起以及一切與光有關的現(xiàn)象

描述它的理論：量子電動力學（QED）

傳遞它的粒子：光子（由1905年愛因斯坦預言）

作用范圍：無限

弱核力：導致放射性β衰變和點燃恒星核聚變的原因

描述它的理論：弱電理論（在高能情況下與QED統(tǒng)一的理論）

傳遞它的粒子：W和Z玻色子（1968年預言，1983年發(fā)現(xiàn)）

作用范圍：10-18米量級

強核力：使質子和中子在原子核內結合在一起

描述它的理論：量子色動力學（QCD）

傳遞它的粒子：膠子（1962年預言，1979年發(fā)現(xiàn)）

作用范圍：10-15米量級

引力：使星系保持在一起，行星圍繞太陽運動

描述它的理論：廣義相對論

傳遞它的粒子：如果引力場是可量子化的，那就應該存在引力子

作用范圍：無限

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ?什么是力？什么是基本作用力？

拿著這本雜志，或者向下滑動你手機的屏幕，你都在施加一種力：兩個物體通過接觸產生的相互作用，也就是所謂的“接觸力”。這些作用力對物體運動狀態(tài)的影響，可以用牛頓運動定律來描述。

但基本作用力是一種相當不同的東西：即使不接觸，物體之間也存在這種作用。當牛頓在萬有引力定律中第一次提出這種“遠距離作用”時，他也感到十分困惑：不接觸的物體怎么能有相互作用呢？

現(xiàn)在，我們搞明白了，這一切都要歸因于充滿空間的場的作用。在現(xiàn)代物理學中，場是一個比力更基本的概念。

什么是場呢？通俗地說，它們是兩個物體之間的媒介。就我們目前所知的四種基本作用力中的三種（電磁力、強核力、弱核力），它們是伴隨著被稱為“玻色子”的粒子而來的量子場。這些粒子在兩個物體之間拋來拋去，于是作用力就產生了。

奇怪的是引力場。根據廣義相對論，引力是質量扭曲時空的產物。引力場在任何一點上的強度，實質上是一個有質量的物體使其周圍時空彎曲的程度。

在任何情況下，把基本作用力和普通力區(qū)分開來的是，看它能不能最終被還原為另一種力或場。例如，摩擦力和空氣阻力最終可以被還原為電磁力，所以它們就不是基本作用力。

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 第五種基本作用力已經有啦，只是……

當正文中談到第五種基本作用力八字還沒有一撇的時候，物理學家完全有理由反駁：我們事實上已經發(fā)現(xiàn)啦。

2012年，物理學家在大型強子對撞機上發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。它對應的希格斯場，以賦予所有其他粒子質量而聞名。但是希格斯場不僅僅是一個質量給予者，它也是另一種基本作用力場，從理論上說，它有資格躋身基本作用力的家族中。

然而，你很少聽到物理學家把它當作第五種基本作用力。原因是，希格斯子的質量太大了，希格斯場的作用范圍小到幾乎無法探測的地步，所以你要是固執(zhí)地認定，“眼見為實”，只有看到它對物體的作用之后方能肯定它的存在，那么我們只好承認，它確實還沒有被發(fā)現(xiàn)。