Как один забытый эксперимент чуть не перевернул мир физики
В физике существует четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Однако ученые уже больше ста лет подозревают, что список неполный. Поиски загадочной «пятой силы» то затихают, то вспыхивают с новой силой. Эта история началась с, казалось бы, скучных измерений венгерского аристократа, привела к научной лихорадке в 1980-х и продолжается прямо сейчас, когда физики снова говорят об аномалиях, не вписывающихся в современные теории.
Эксперимент барона Этвёша
В конце XIX века венгерский барон Лоранд Этвёш решил проверить один из столпов физики — принцип эквивалентности. Он проверял, действительно ли гравитация действует одинаково на разные материалы, независимо от их химического состава. До него это делал Ньютон с точностью до 10^(-3), но Этвёш решил пойти дальше.
Барон был не просто кабинетным ученым, но и мастером точной механики. Он создал крутильные весы невероятной чувствительности.
- Это было коромысло, подвешенное на тончайшей нити.
- Главная хитрость: грузы на концах коромысла висели на разной высоте.
- Это позволяло прибору реагировать на малейшие изменения силы тяжести и вращения Земли.
Схема эксперимента Этвёша
Чтобы исключить помехи, Этвёш работал по ночам, когда город спал и не было вибраций от транспорта. Прибор прятали в двойной корпус для защиты от сквозняков. Результат многолетней работы, опубликованный уже после смерти барона в 1922 году, гласил: массы равны, Ньютон прав, никаких отклонений нет с точностью до 10^(-9).
Эйнштейн был в восторге, ведь эти данные стали фундаментом для его Общей теории относительности.
Ревизия Фишбаха
Спустя 60 лет, в 1986 году, американский физик Эфраим Фишбах решил перепроверить старые записи Этвёша. Он искал следы взаимодействий, которые могли бы объединить квантовую механику и гравитацию. Фишбах заметил то, что все считали просто погрешностью эксперимента. В данных Этвёша были крошечные отклонения, которые выстраивались в четкую систему. Оказалось, что сила притяжения образцов зависела от их химического состава, а точнее — от барионного числа (суммы протонов и нейтронов).
Например, пара «вода — медь» давала сильное отклонение, а «платина — магналий» почти идеальное совпадение. Фишбах заявил: в природе существует пятая сила.
- Это слабая отталкивающая сила, названная «гиперзарядом».
- Она действует на расстояниях в 100–200 метров.
- Её сила составляет около 1% от гравитации.
Новость попала на первую полосу New York Times. Мир физики, до этого спокойный, «сошел с ума».
Как один ошибочный эксперимент создал миф о «памяти воды»
Охота за призраком
Началась настоящая экспериментальная лихорадка. Чтобы найти пятую силу, нужно было измерить гравитацию там, где условия отличаются от лабораторных.
- Телевизионные башни. Группа учёных из Лаборатории геофизики ВВС США измеряла гравитацию на разных этажах высотных башен. Они искали отклонения от закона Ньютона на высоте. И поначалу даже нашли их!
- Гренландский лед. Ученые спускали приборы в глубокие скважины во льдах, считая лед идеальной однородной средой.
- Край обрыва. Питер Тибергер провел красивый опыт у обрыва Палисадес. Он поместил медную сферу в бассейн с водой. Если бы пятая сила существовала, скала притягивала бы медь и воду по-разному, и сфера поплыла бы к краю. И она поплыла!
Скалы Палисадес в США
Казалось, открытие века уже в кармане.
Геология против физики
К началу 1990-х эйфория сменилась разочарованием. Более точные эксперименты группы Eot-Wash, названной в честь барона Этвёша, показали нулевой результат. Куда же делась пятая сила?
Оказалось, что исследователи недооценили Землю. «Аномалии» были вызваны геологическими особенностями, которые не учли в формулах:
- Под телебашнями в земле скрывались породы разной плотности, искажавшие гравитационное поле.
- В Гренландии скальный рельеф под километрами льда создавал помехи.
- Сфера в бассейне Тибергера двигалась из-за микроскопических потоков воды, вызванных температурой, а не новой силой.
Пятую силу снова «похоронили». Физики решили, что Фишбах ошибся, а отклонения у Этвёша были вызваны несовершенством техники начала XX века.
Аномалия X17
В 2016 году новая сенсация пришла оттуда же, откуда все начиналось — из Венгрии. Группа ученых из Института ядерных исследований (ATOMKI) в Дебрецене заявила, что снова нашла пятую силу. Но на этот раз физики изучали не гравитацию, а ядерные реакции.
Изучая распад изотопа бериллия-8, учёные заметили странный всплеск. Электроны и позитроны вылетали из ядра под углом 140 градусов чаще, чем предсказывала теория. Статистическая значимость составила 6,8 сигма — такое высокое значение говорит о том, что результат не является погрешностью или отклонением. Ученые предположили, что за этот эффект отвечает неизвестная частица массой около 17 МэВ. Её назвали бозон X17.
Ускоритель в институте ATOMKI, на котором были получены данные о существовании бозона X17
В 2019 году тот же эффект увидели на ядрах гелия. Теоретики предполагают, что X17 — это «протофобная» частица. Она избегает протонов, но взаимодействует с нейтронами, поэтому её не замечали в огромных коллайдерах, где сталкивают протоны. Возможно, это мостик к пониманию темной материи.
В итоге
Современное научное сообщество научено горьким опытом 1980-х. Независимые проверки идут прямо сейчас. В 2025 году эксперимент MEG II в Швейцарии пока не подтвердил наличие частицы, но и окончательно не опроверг её.
Физика снова находится в точке неопределенности. Либо бозон X17 — ещё одна ошибка в расчетах и приборах, либо мир стоит на пороге открытия, которое перевернет понимание Вселенной, как когда-то это сделала теория Эйнштейна.
Может ли Большой адронный коллайдер создать чёрную дыру и поглотить Землю?