وضعیت فعلی نیروی پنجم

اندازه‌گیری شتاب ثقل به روش های زمین‌شناختی در چند سال گذشته نتایجی به بار آورده است که با آنچه از گرانش نیوتونی انتظار می‌رود مغایرت دارد.ظاهراً ثابت گرانش نیوتونی (G)که از اندازه‌گیریهای زمینی به دست می‌آید با نتایج حاصل از اندازه‌گیری های آزمایش کاوندیش متفاوت است.این مسئله فیشباخ و همکارانش را بر آن داشت که پروندة آزمایش مشهور اتووش را از لابلای آرشیوها بیرون بکشند و دوباره مطالعه (و ظاهراً تأیید) قرار گرفته بود. این بررسی مجدد منجر به پیشنهاد نیروی جدیدی شد که نیروی پنجم نام گرفته است. در سال گذشته مباحثات زیادی در مورد صحت و سقم تحلیل فیشباخ و دیگران پیش آمد و آزمایش های جدیدی طرح و اجرا شد که در واقع تکرار دقیق آزمایش های قدیم بودند. اخیراً در کنفرانس موریوند1 این آزمایش های و نتایج نظری مطرح شدند.حاصل کار چیزی نبود مگر افزایش سردرگمی در مورد نیروی پنجم. برخی حتی نیروی جدیدی به اسم نیروی ششم را پیش کشیدند و بعضی دیگر نابهنجاری های مشهود را به مدل های نادرست زمین منتسب کردند و منکر وجود هرگونه نیروی جدید شدند. در زیر نتایج برخی از این آزمایش ها و نظرهای صاحبنظران را باختصار گزارش می‌دهیم. آزمایش های انجام شده اساساً بر دو نوعند: یک گروه آزمایش های زمینی است که تغییرات شتاب ثقل را برحسب ارتفاع و میزان انحراف آن را از پیش بینی نیوتونی اندازه‌گیری می‌کند و گروه دیگر بستگی نیروهای بین اجسام را به ترکیب شیمیایی و نهایتاً به اعداد کوانتومی ـ سوای جرم می‌آزماید.
الف) آزمایش های زمینی: فرانک استیسی و همکارانش مشاهدات قبلی خود را تأیید کردند.آنها تغییرات g را برحسب ارتفاع، در داخل معدنی در استرالیا، اندازه‌گیری کرده‌اند.از نتایج آن ها چنین بر‌می‌آید که تغییرات g با پیش بینی نیوتونی به‌میزان قابل توجهی فرق دارد. ظاهراً ثابت نیوتون (G) در اعماق زمین در حدود یک درصد بیشتر از آن است که در آزمایش های نظیر آزمایش کاوندیش، در آزمایشگاه و در فواصل چند سانتی‌متر، اندازه گرفته می‌شود. این اندازه‌گیری ها منجر به پیشنهاد نیروی دافعه‌ای از نوع یوکاوا شد که در فواصل چند صد متر کارگر است و شدت آن در حدود 4-10 برابر شدت گرانش است. بار دیگر استیسی و همکارانش انتساب این انحراف را به ناهمگنی چگالی محیط اطراف معدن رد کردند و آن را پدیده‌ای واقعی شمردند. مارک‌آندر و زومبرگ‌زمین – فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا در سان‌دیه‌گو و آزمایشگاه لوس‌آلاموس به سوراخ های عمیقی در کلاهک یخی زمین در گریلند روی آورده‌اند.کلاهک یخی این حسن را دارد که مسئله ناهمگنی های اطراف وارد نمی‌شود و در نتیجه، نتایج آزمایش ها از تغییرات چگالی به میزان کمتری متأثر خواهد بود. نتایج اندازه‌گیری این گروه هنوز منتشر نشده است. گروهی دیگر از انستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا زیر نظر جیم تامس نتایج اندازه‌گیری تغییرات g را در پنج حفرة عمیق، که برای آزمایش های نظامی در نوادا تعبیه شده بودند، در کنفرانس مویوند عرضه کردند. اگر‌چه آن ها به نتایجی می‌رسند که انحرافش از پیش‌بینی نیوتونی بیشتر از نتایج گروه استیسی است، ولی آن را به کمبودهای مختلف مدلی نسبت می‌دهند که در محاسبة نیوتونی مورد استفاده قرار می‌گیرد.آن ها ناهنجاری های تغییرات g را ناشی از پدیده‌های ناشناخته، نظیر نیروی پنجم نمی‎‌دانند.برای مقابله با خطاهای آزمایش هایی که در اعماق زمین انجام می‌گیرد راه دیگری هم وجود دارد، و آن انجام آزمایش هایی بالاتر از سطح زمین است. در اینجا دیگر صخره‌ها و حفره های دوروبر معادن وجود ندارند و محل آزمایش را هوا احاطه می‌کند که چگالی‌اش بسیار کم و تقریباً ثابت است. برای این آزمایش دانلد‌ اِکارت و همکارانش در آزمایشگاه ژئوفیزیک نیروی هوایی آمریکا یک آنتن تلویزیونی به ارتفاع 600 متر را انتخاب کردن.
این آنتن در ناحیه‌ای مسطح و بدون عوارض ناهمگن زمینی در ایالت کارولینای شمالی قرار داشت. شتاب ثقل در شش نقطة برج آنتن اندازه‌گیری شد.دقت آزمایش20 میکروسانتی‌متر بر مجذور ثانیه بود. برای مقایسه نتایج با پیش‌بینی نیوتونی(که پتانسیل گرانش را در هوا مطابق معادلة لاپلاس به دست می‌دهد)، g را در محل های متعددی روی سطح زمین اندازه گرفتند و حاصل اندازه‌گیری را به عنوان شرط مرزی معادلة لاپلاس به کار بردند .نتایج محاسبه و اندازه‌گیری با هم متفاوت بود و واقعاً انحرافی از گرانش نیوتونی مشاهده شد. مقدار g در رأس آنتن چیزی در حدود 6-10*5 متر بر مجذور ثانیه بیش از پیش‌بینی نیوتونی بود، درست برخلاف نتایجی که از اعماق زمین به دست آمده بود! این ناهنجاری حاکی از نیروی جاذبه ای بود که در فاصلة 300 متری حدود 02ر0 نیروی گرانش است.به نظر اکارت نتایج با یک نیروی جاذبة یوکاوایی سازگار است. اما او نتایج استیسی و آنتن تلویزیون و نیز نتایج ضد و نقیض آزمایش هایی را که در جستجوی بستگی نیروی گرانش به ترکیب اجسامند با رقابت دو نیروی یوکاوایی،یکی جاذبه و یکی دافعه، سازگار می‌داند. بدین ترتیب او وجود نیروی ششم را پیش می‌کشد. البته افزودن پارامترهای جدید توجیه نتایج را آسانتر می‌سازد ولی اِکارت تصویری عرضه می‌کند که با نظریات ذرات بنیادی و گرانش همنواتر است.
ب) دستة دیگر آزمایش ها به دنبال یافتن نیرویی هستند وابسته به ترکیب اجسام، شبیه آزمایش های گالیله و اتووش. فیشاخ و همکارانش نیروی پنجم را متناسب با عدد باریونی اجسام پیشنهاد کرده‌اند.
عدد باریونی می‌تواند تقریبی از جرم شمرده شود.ولی اختلاف آن با جرم، بخصوص برای عناصر وسط جدول مندلیف (مثل آهن)زیاد است. لذا نیرویی که جسمی بزرگ بر قطعه‌ای آهن وارد می‌آورد باید کمتر از نیروی وارد بر قطعه‌ای اورانیوم یا لیتیوم باشد. مطابق براورد فیشابخ این اختلاف تقریباً یک در هزار است. این جسم بزرگ می‌تواند یک صخره، یا عوارض طبیعی یا مصنوعی عظیم باشد. آزمایشی در این جهت توسط پیتر تیبرگر انجام شده است. او یک کرة تو خالی را در حوضچه‌ای قرار داد. صخره‌ای عظیم مشرف به حوضچه بود. مس که عدد باریونی‌اش به ازای واحد جرم بزرگتر از اب است،نسبت به آب مکرراً از صخره دور شد. نتایج او سازگار با نیروی دافعه‌ای با برد تقریبی 200 متر و شدتی در حدود7ر0 درصد شدت نیروی گرانش بود.ولی یک گروه دیگر به نتایج کاملاً متفاوتی رسید. کریستوفر استابز و اِریک آدلبرگر از دانشگاه واشینگتن از یک دو قطبی باریونی متشکل از مس و بریلیوم استفاده کردند. این دو قطبی را در مقابل تپه‌ای گذاشتند تا با تحقیق وضعیت تعادل پی به نیرویی که متناسب با عدد باریونی باشد، ببرند. نتایج آزمایش آن ها این نیرو را در فاصلة دویست متری، کمتر از 02ر0 درصد نیروی گرانش به دست داد.گروه دیگری در همان دانشگاه از تغییرات نوسان های یک آونگ پیچشی استفاده کردند.( در این مورد دو قطبی باریونی از یک تار پیچشی آویخته شده بود.) نتایج آنه از نظر علامت مخالف نتایج تیبرگر و از لحاظ شدت 50 برابر کوچکتر بود. برای آشتی دادن این دو نتیجة متضاد، آزمایشگران بستگی نیرو را به اختلاف تعداد پروتون ها و نوترون ها جستجو کردند تا شاید فزونی تعداد پروتون های آب در آزمایش تیبرگر، این اختلاف را توجیه کند. اما هیچ نتیجه‌ای به دست نیاورد.چند آزمایشی که در بالا از آنها صحبت شد همه از نوع آزمایش کاوندیش‌اند. آزمایشی نیز از نوع آزمایش گالیله انجام شده است که آن هم نتوانسته است مسئله را روشن کند.تیم نیباوئر، مارتین مک هیو و جیمز فالر آزمایش مشهور گالیله را به طریق امروزی تکرار کردند.آنها دو گلوله، یکی مس و دیگری از آلومینیوم، را در خلاء رها کردند و با استفاده از انعکاس نور یک لیزر از آن دو و مشاهدة تداخل بازتابها سعی کردند اختلاف شتابشان را اندازه بگیرند ولی با دقت یک در بیلیون هیچ اختلافی دیده نشد.
شاید ندیدن نتیجه در چند آزمایش فوق به این دلیل باشد که نیروی پنجم و ششم، که در رقابت با یکدیگرند (یکی دافعه بین بارهای همنام و ناشی از مبادلة ذره‌ای برداری، و دیگری همواره جاذبه و حاصل از مبادلة ذره‌ای نرده‌ای) در فواصل مطرح در آزمایش یکدیگر را خنثی کرده باشند.به هرحال آزمایش های انجام شد تاکنون بازار آشفته‌ای از نتایج ضد و نقیض (یا به ظاهر ضد و نقیض) را پدید آورده‎‌اند که پیدا کردن راه در آن کار چندان آسانی نیست. در این میانه همگی به انتظار نتایج آزمایشی هسیم که قرار است در سر انجام شود و اختلاف شتاب سقوط آزاد ماده و پادماده (پروتون و پادپروتون) را اندازه بگیرد.