物理学家探索地球深处的第五种基本力

一般而言，人们倾向于随意使用“自然之力”这一短语，例如“她是真正的自然之力”。但物理学家则更为挑剔——他们只将这一短语用于四种独立的宇宙力，他们称之为“基本力”：引力、电磁力以及强核力和弱核力，它们分别将原子核结合在一起并与放射性衰变有关。

这并不意味着物理学家排除了其他力存在的可能性。由于他们用来解释一切的模型并不完整，因此很有可能存在其他力量，以不同于迄今为止发现的所有力的方式将物质拉开或推到一起。

阿默斯特学院和德克萨斯大学的物理学家团队正在寻找一种潜在的第五种力——一种可能由电子自旋与其他亚原子粒子自旋相互作用而产生的力。每次我们将两块磁铁吸在一起时，我们都会感受到电子自旋的短程效应——这是因为铁含有相互排列的电子——但科学家认为，粒子的自旋也可能导致它们在很长的距离上相互作用。

问题是，即使这种被称为“自旋-自旋力”的长程力确实存在，它也极其微弱，因此极难探测。阿默斯特团队的首席科学家拉里·亨特 (Larry Hunter) 计算出，长程自旋-自旋力至少比中子和电子之间的引力弱一百万倍。由于引力是我们生活中最明显的力，它似乎是一种强大的力，但在单个亚原子粒子的尺度上，它几乎完全微不足道（两个电子之间的静电力比它们的引力强一百万亿万亿万亿倍）。

但亨特的团队想出了一个聪明的方法来解决这个难题：他们不是试图检测两个粒子之间极其微弱的作用力，而是检测地球深层内部铁原子中锁定的所有旋转电子的净力。

由于铁中的电子倾向于与磁场对齐，亨特意识到可能可以估算出地幔中所有铁原子的净自旋——地幔是地壳和地核之间的厚层，构成了地球体积的大部分。

亨特与德克萨斯大学奥斯汀分校的地球物理学家 Jung-Fu Lin 合作，计算了地球内部不同区域的磁场强度和整个地幔中电子的净自旋。研究人员意识到，他们可以利用这颗行星的铁原子矿将亨特实验室中中子的长距离自旋力增加一千万亿倍以上。

然而，仍有许多挑战：研究小组正在研究的汞气原子测​​试室必须完全与四种已知基本力的干扰隔离，而且研究小组用来检测气体变化的工具需要经过完美校准。“这有点像打地鼠，”亨特开玩笑说。“你解决了一个问题，然后另一个问题又出现了。”

亨特认为，他和他的团队可以将他们的装置的灵敏度提高至少几个数量级。如果这种力量真的存在，那么这种提高是否足以让物理学家进行探测，还有待观察。