對(duì)第五種力的限制：物理學(xué)家精確測(cè)量原子核振動(dòng)

今天和大家分享的是，用高分辨率的分子氫離子振動(dòng)光譜來(lái)測(cè)試帶電重子之間的相互作用。

帶電重子是由三個(gè)夸克組成的復(fù)合粒子，比如質(zhì)子。夸克之間的相互作用是由強(qiáng)核力介導(dǎo)的，它是四種基本相互作用之一。強(qiáng)核力非常強(qiáng)，以至于夸克幾乎不可能被分離出來(lái)。但是，有些理論預(yù)測(cè)，在強(qiáng)核力之外，還存在著一種額外的力，它可以在帶電重子之間產(chǎn)生微小的效應(yīng)。這種力被稱為第五種力，它可能與暗物質(zhì)或暗能量有關(guān)。

那么，如何檢測(cè)第五種力呢？一種方法是利用分子氫離子（H2+或HD+）的振動(dòng)光譜。分子氫離子是由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)氫原子組成的最簡(jiǎn)單的分子，它的振動(dòng)頻率可以用量子力學(xué)精確地計(jì)算出來(lái)。如果存在第五種力，那么它會(huì)導(dǎo)致分子氫離子的振動(dòng)頻率發(fā)生微小的偏移。因此，通過(guò)測(cè)量分子氫離子的振動(dòng)光譜，并與理論計(jì)算進(jìn)行比較，就可以尋找第五種力的存在或排除其可能性。

我們知道，分子中的原子核和電子之間存在著電磁相互作用，這種相互作用使得分子呈現(xiàn)出一定的形狀和距離，比如HD+就是一個(gè)線性分子，兩個(gè)核之間的距離約為0.074納米。但是，這種形狀和距離并不是固定不變的，而是會(huì)隨著溫度和能量的變化而發(fā)生微小的波動(dòng)。這種波動(dòng)可以用量子力學(xué)來(lái)描述，它表現(xiàn)出一些離散的能級(jí)，就像原子中電子的能級(jí)一樣。

我們把這些能級(jí)分為兩類(lèi)：振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。振動(dòng)能級(jí)對(duì)應(yīng)于分子中原子核沿著分子軸方向來(lái)回拉伸或壓縮的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)對(duì)應(yīng)于分子繞著分子軸方向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。這些能級(jí)之間的躍遷可以通過(guò)吸收或發(fā)射特定頻率的光來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是光譜學(xué)的基本原理。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員使用了一種非常先進(jìn)的激光光譜技術(shù)，它可以測(cè)量分子氫離子的振動(dòng)頻率，精度達(dá)到了10^（-15）級(jí)別。這相當(dāng)于測(cè)量地球到月球之間的距離，誤差只有幾個(gè)納米。他們使用了兩種不同類(lèi)型的分子氫離子：H2+和HD+。H2+是由兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成的，而HD+是由一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)氘核和一個(gè)電子組成的。如果存在第五種力，那么它會(huì)導(dǎo)致這兩種分子氫離子的振動(dòng)頻率有不同程度的偏移，因?yàn)樗鼈兒胁煌瑪?shù)量的中子。

然而，經(jīng)過(guò)仔細(xì)地測(cè)量和分析，研究人員沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何第五種力的跡象。他們得到了一個(gè)非常嚴(yán)格的限制：如果第五種力存在，那么它對(duì)帶電重子之間距離為1納米時(shí)產(chǎn)生的作用力必須小于10^（-30）牛頓。這相當(dāng)于兩個(gè)蘋(píng)果之間產(chǎn)生的萬(wàn)有引力的百萬(wàn)分之一，這個(gè)結(jié)果與量子電動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)的完全一致。