Ученые обнаружили пятую фундаментальную силу

Почему физики ищут пятую силу и что нашлось в атомах кальция: честный разбор

Четыре фундаментальные силы — гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия — долгие десятилетия считались исчерпывающим списком. Но ученые подозревают: список неполный. Недавно группа исследователей из Австралии, Швейцарии и Германии заявила о косвенных признаках пятой силы. И искали они не в космосе, а внутри обычного атома кальция.

Что такое пятая сила и почему о ней заговорили

Стандартная модель объясняет почти всё, что происходит в микромире. Но есть белые пятна. Например, темная материя — её природа до сих пор не ясна. Или аномалии в поведении галактик. Пятая сила — это гипотетическое взаимодействие, которое не описывается Стандартной моделью. Если она существует, то должна проявляться на сверхмалых расстояниях — меньше размера атомного ядра.

«Мы привыкли искать новые физические эффекты в столкновениях частиц на больших коллайдерах. Но иногда природа прячет подсказки в самых простых веществах», — примерно так комментируют свою работу авторы исследования.

Личное наблюдение: недавно я заметил, что самые прорывные открытия часто начинаются с мелких нестыковок в данных, которые сначала считают ошибкой измерений. История с кальцием — из той же серии.

Как устроен эксперимент с кальцием

Ученые взяли разные изотопы кальция — с разным количеством нейтронов в ядре. И начали изучать поведение электронов, когда те поглощают энергию и переходят на более высокие энергетические уровни. Потом электроны возвращаются обратно, испуская энергию. Этот процесс (называется атомным переходом) строго предсказывается Стандартной моделью.

Пошаговая суть эксперимента:

• Берем изотопы кальция с массовыми числами 40, 42, 44, 48
• Облучаем их лазером, заставляя электроны переходить на возбужденные уровни
• Измеряем время жизни возбужденного состояния и спектр излучения
• Сравниваем экспериментальные данные с теоретическими расчетами

И тут — сюрприз. В изотопах с разным числом нейтронов обнаружились отклонения. Они слишком велики, чтобы списать на погрешность. Самое вероятное объяснение — неизвестное взаимодействие, которое меняет энергию связи частиц внутри ядра.

Что такое частица Юкавы и при чем тут пятая сила

Теоретики уже давно предположили, что переносчиком пятой силы может быть частица Юкавы. Она должна иметь массу от 10 до 10 миллионов электрон-вольт. Это очень легкая частица по меркам физики высоких энергий. Именно из-за малой массы она действует только на микроскопических расстояниях — не больше размера атомного ядра.

Поэтому раньше её не обнаружили: все эксперименты были либо на слишком больших расстояниях (космические масштабы), либо на слишком высоких энергиях (коллайдеры). Хитрость в том, чтобы измерить именно атомные переходы с высокой точностью.

Сравнение: Стандартная модель против гипотезы пятой силы

Обратите внимание: отклонения в кальции — не доказательство, а лишь намек. Но если пятая сила подтвердится, это перевернет физику. Стандартная модель станет частным случаем более общей теории. А ученые получат инструмент для управления новым типом взаимодействия.

«Открытие пятой силы может дать ключ к разгадке темной материи и даже объяснить, почему Вселенная расширяется с ускорением», — резюмируют авторы.

Что это значит для нас с вами

Пока — ничего. До практических технологий ещё далеко. Но сам факт: физики нащупали границу, за которой лежит неизвестное. Каждый такой шаг приближает нас к новым источникам энергии или к пониманию ткани реальности. Вспомните: в 1900 году никто не мог представить, что квантовая механика даст лазеры и транзисторы. Так и здесь — возможно, через двадцать лет пятая сила станет основой для устройств, о которых мы пока не догадываемся.

Резюме от автора. Не верьте заголовкам в духе «пятая сила обнаружена». Пока есть только статистическая аномалия в данных. Но если её подтвердят независимые эксперименты (а они уже планируются), нас ждёт пересмотр основ физики. И это — редкая возможность наблюдать науку в момент революции.