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超电荷力
假说的提出
  这是一个“老掉牙”的故事,想必大家都听说过。16世纪末,意大利著名物理学家伽利略,在比萨斜塔上做了一次公开实验:他的两只手中,拿着两个不同重量的铁球,一个十磅重,一个一磅重,两个铁球同时脱手,而且同时着地。这个实验结果,推翻了亚里士多德保持了两千多年的理论,因而在近代物理学史上传为佳话。

  可是问题并没有就此完结。现代物理学的理论可以证实,真空中两个不同重量的铁球,从相同的高度同时下落,一定会同时着地的。但是两个不同材料构成的物体,比如一根羽毛和一个铁球,是不是也具备同样的性质呢?

  我们知道,在生活中,羽毛的下落速度,明显比铁球慢得多。据说这也是当初亚里士多德理论的来源之一。伽利略认为,这是由于羽毛的重量太轻,因此在下落的过程中,会受到较大的空气阻力。如果在真空中,羽毛和铁球从相同的高度同时下落,一定也会同时着地的。

  由于实验条件的局限,伽利略没能在有生之年完成这个实验。随着科技的发展,人类在自然界中制造出了高真空,伽利略的遗愿终于可以实现了。在真空中,人们看到羽毛和铁球从相同的高度同时下落,果然是同时着地的。

  本来,这个悬案应该到此为止了。可是进入20世纪以后,人们又发现了新的问题。1922年,匈牙利科学家富佛斯在一次真空实验中发现,不同重量、不同材料的物体,从相同的高度同时下落,并不是完全同时着地的,而是存在微小的时间差距。但是富佛斯的发现并没有引起当时物理界的关注。

  富佛斯的发现被搁置了60多年。直到1986年,世界物理学界才开始认真研究富佛斯的真空下落实验,结果得到了令人更为吃惊的结论: 在真空中,羽毛竟然比铁球先着地!400年前伽利略的猜想,又被推翻了。

  经过大量细致的研究,现代的物理学家们总结出了如下结论:正在下落的物体,不仅受到重力的作用,而且还有一个较小的“排斥力”在捣乱。这种“排斥力”的方向刚好与重力相反,因此影响了物体下落的速度。现代物理学中,把这种“排斥力”称为“超负载力”(也称为“超电荷力”)。由不同材料构成的物体,所受到的“超负载力”也不同。这就是“真空中羽毛比铁球下落快”的原因。

  在“超负载力”被发现之前,人类所知道的“力”总共可以归结为四大类,即万有引力、电磁力、强相互作用和弱相互作用。而这种“超负载力”不能归于四类中的任何一类,只能独立成“第五种力”。

  当然,这“第五种力”是不是存在,物理学界尚有争论,因为大量实验的结果并不是完全一致的。因此,人类对这种“超负载力”的认识,还处在初级阶段。亚里士多德和伽利略这两位伟人留给后人的悬案,何时能够完全了结呢?让我们拭目以待吧。

  在现实生活中,鸡毛和铁块,哪个落得快,答案是清楚的。至于鸡毛为何比铁块下落得慢呢?人们解释说,这是由于地球周围存在着大气圈,鸡毛所受的浮力大于铁块。

  如果在真空管中,鸡毛和铁块,哪个落得快,情况就不同了。当然,答案也是清楚的:鸡毛和铁块将同时落到底部。

  至此,不同重量的两个物体究竟谁先落地似乎已明白无误了。

  然而在1992年,匈牙利的劳伦特·冯·富佛斯等在一次实验中发现:不同重量物体的下落时间略有不同。可当时这一发现却未引起人们的重视。

  近二十余年来,美国的朗格等对富佛斯的实验重新进行分析,他们发现:鸡毛和铁块的下落速度确实不同,而且鸡毛的下落速度要略大于铁块。请注意,现在是轻物要比重物下落得快,这又是什么原因呢?

  朗格根据自己的实验及1891年以来有相当可靠程度的七组实验结果认为,在实验室尺度上,牛顿的引力平方反比定律和实验相比有一系统的偏差。这个偏差,可以表示为引力常数随距离的变化。

  以后,对大量地球物理实验结果的分析证实了它的存在,并把它归结为存在一种不同于牛顿引力的新力,称之为第五种力。正是由于这种新力的暗中作梗,才使得鸡毛捷足先登。当然,第五种力的提出,毕竟还只是一种假说而已。

  为了弄清这种新力的起源,以弗许贝克博士为首的一组美国物理学家,还重新分析了历史上著名的厄缶的质量等价实验。

  我们知道,质量有两个定义,一个反映惯性的大小,叫惯性质量,以符号m惯表示,根据的是牛顿第二定律:f=m惯·a式中,a为力f作用下的物体的加速度。

  另一个反映引力的大小,叫引力质量,以符号m引表示,根据的是万有引力定律:

  式中,g为引力常数,m与r分别为地球的质量与半径,f为物体所受地球的引力。

  对于地面上的自由落体运动,应有

  这两个定义不同的质量,是否有一定的比例关系。通过实验证明,它们之间有严格的比例关系。

  最早的证明就是伽利略的自由落体实验,可得:

  其次,牛顿提出三大运动定律和万有引力定律,也必然碰到两种质量的关系问题。他用不同材料充当单摆的摆锤,进行比较它们的摆动周期的实验,亦可得:

  但是,从实验方法来说,不论是自由落体实验,还是单摆实验,测量精度都不高。因为这两种实验都是动态的,涉及位置和状态的变化,还会受其它因素,例如,空气阻力的干扰。

  于是,匈牙利的厄缶设计了更为精确的质量等价实验。他采用扭秤方法,把动态实验改为静态实验,直接比较两个物体的惯性质量和引力质量,从而大大地提高了实验精度。

  一根横杆悬挂在细线下,横杆两端对称地固定着材料不同、但质量相同的重物a和b。这两种重物都会受到重力m引·g和地球自转造成的离心力

  性质量与引力质量等价,则两重物所受离心力相等,力矩互相抵消,扭秤维持平衡。如果惯性质量与引力质量不成正比,则扭秤失去平衡,而使悬丝扭转。

  那么,如何测定悬丝扭转呢?厄缶用望远镜对准悬丝上挂着的小反射镜,观察望远镜上方的短刻度标尺,从而测量偏转角。为了避免系统误差,厄缶还将横杆转180°,换一个方向测量。

  如此精确系统的测量,1889年厄缶得到的第一次结果,实验精度达η≤5×10-8。1980年得到第二次结果,η=3×10-9,后一结果直到厄缶死后三年才正式发表。

  细心的弗许贝克认为,厄缶当年列出不同材料引力加速度的极微小差别也许不是实验误差,有可能是真实效应。也就是说,对于真空的自由落体,轻物下落快、重物下落慢,过去把它归咎于实验中偶然出现的一种干扰,可是弗许贝克等却不轻易放过这一反常现象。

  他们认为,在真空中,轻物(比如鸡毛)之所以比重物(比如铁块)下落快,正是因为对物体起作用的不仅是重力,另外还有一个较小的排斥力,弗许贝克等称其为“超电荷力”,也就是第五种力,它与两个物体之间的引力方向相反,并使不同结构和质量的物体产生稍微不同的加速度。
已知的四种力
  本质上讲,自然界所存在的多种类型的力,都可归结为四种基本相互作用。那就是引力作用、电磁作用、强相互作用、弱相互作用。

  我们现在所观察到的宇宙,其尺度约为150~200亿光年。宇宙中的一切物体都是由一种看不到的力量在主宰着,那就是引力作用。但是它在强度上是四种基本相互作用中最弱的一种。

  电磁作用是带电粒子与电磁场的相互作用以及带电粒子之间通过电磁场传递的相互作用。在强度上它次于强相互作用而居于四种基本相互作用的第二位。电磁力和万有引力一样是宇宙中普遍存在的一种长程力。

  主宰着微观世界的是强相互作用和弱相互作用。强相互作用是使核子结合成原子核的作用。在强度上它是四种基本相互作用中最强的一种。它不像万有引力和电磁力那样是长程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程长,约为10-13cm。大约等于原子核中核子间的距离。

  弱相互作用是存在于原子核内部的一种相互作用。在强度上它次于强相互作用和电磁作用之后居于四种基本相互作用的第三位。它也是一种短程力,力程约为10-15cm,比原子核的半径还小两个数量级。因此,这种力在极短距离内起作用,尽管如此,它在自然界中却扮演着相当重要的角色。没有它,太阳和许多恒星就会熄灭,无法产生由氢形成氦的持续聚变。

  这样,四种强度悬殊、性质各异的基本力,完全控制了我们的宇宙。不过,物理学家们早就怀疑这四种力在宇宙混沌初开的某一阶段可能原来是一种作用力,后来随着宇宙的演化而各自成家了。

  长期以来,不少物理学家就致力于这四种基本力的统一工作,以还其庐山真面目。1967年温伯格和萨拉姆成功地把电磁作用和弱相互作用统一起来,建立弱电统一理论。

  目前,物理学家们正乘胜出击,致力于建立所谓大统一理论,把电磁作用、弱相互作用和强相互作用三种基本力统一在一起,以及更进一步地建立起大统一理论,把所有四种基本力统一起来。

  由于自然界的四种基本力是决定所有物质运动及其运动状态的依据。现在有可能存在第五种基本力,自然引起物理学界的极大兴趣。
实验证明
  然而,第五种力是否真正存在,首先是一个实验问题。所以近二十余年来,人们在实验室里、矿井中、电视塔上、悬崖旁、海底下做了大量实验,设计了许多精密仪器,以便证实或否定它的存在。探测第五种力的实验大致可以分成下列三类。第一类实验是把地球作为引力源,测量离地心不同距离处重力加速度的变化,以此和按牛顿平方反比定律算得的理论值相比较。例如,墨西哥湾1100平方公里范围内海底海面的703个重力数据;澳大利亚西北昆士兰14000个钻孔提供的地层及重力数据等。

  第二类实验是测量同一引力源(如大崖岩石)对质量相同而成分不同的物体的引力作用差别。例如美国布鲁海文国家实验室的新型加速度仪,实验中浸在水中的悬浮铜球壳(内充满水),在高出哈得逊河161米的崖壁的作用下,测其加速度,分析铜与水所受到的作用力大小。

  第三类实验测量反物质——目前用的是反质子和正电子——在地球引力作用下的加速度,如果存在与重子数和轻子数相关的第五种力,则其加速度将和质子、电子的不同。实验计划已获得批准,但还未取得结果。

  显然,理论认识是否正确,最后要经过实验的检验。尽管目前第五种力的存在的探索实验多种多样,但要真正证实第五种力的存在,尚需做更多、更精密的实验才能做出最终结论。

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