宇宙中的第五种力
所谓第五种力，就是第五种基本作用力的简称。直至目前为止，第五种力的客观性并没有得到验证和承认，还只是人们的一种猜想和臆断。在科学理论体系中，目前在自然界中发现存在着四种基本作用力，即电磁力、万有引力、强力和弱力。
四种力之外的另一种力
早在17世纪，意大利物理学家伽利略就曾在比萨斜塔上做过一次实验，意义十分深远：两个重量不等的铁球从同一高度自由下落后同时着地。由此他得出结论：任何一种物体，如果在真空中自由下落，不论是一个铁球还是一根羽毛，其加速度必然是一样的，因而也肯定同时落地。这一观点对物理学家牛顿总结出关于力的运动的三大定律起了直接的推动作用；爱因斯坦的相对论也在这一基础上提出来了。
然而，如今多年来这个颠扑不破的真理，却遭到了严重挑战。一个以美国物理学家费希巴赫为首的科研小组经实验发现，在真空中不同质量的物体实际上并不具相同的加速度。费希巴赫推测，物体在下落时除了受引力的作用外，很有可能还受到另一种尚不为人所知的作用。
迄今为止，在宇宙中公认存在着4种力，第一种是引力，它是4种力中最弱的一种，是一个物体或一个粒子对于另一个物体或一个粒子的吸引；第二种力叫做电磁力，由于它的作用，形成了不同的原子结构和光的运动；第三种是强相互作用力，它把原子核内各个粒子紧紧地吸引在一起；第四种是弱相互作用力，它使物体产生某种辐射。
然而按费希巴赫的看法，现在新发现的这种力应该是宇宙中的第五种力，而且是一种排斥力，只具有几英尺到几千英尺的有限距离。从实验可推断，这可能是以一种“超电荷”形式出现的，“超电荷”可以抵消一部分引力，减缓下落物体的加速度。质子和中子的比例决定了减速的值，而且这个值和质子、中子总数加上结合能值即原子的总质量成反比。由于随原子的不同，结合能会有不同的大小，所以它所产生的这第五种力也就随结合能大小而异。由此可以得出：两个体积不同的物体，比如一个体积较小的铁块和一个体积较大的木块，即使它们的重量完全相同，也将因为它们结合能的不同而以稍微不同的速度下落。由于铁原子的结合能要比木原子的结合能大，所以铁块下落的速度要比木块的稍慢。
对第五种力的争论
费希巴赫小组的新发现，在科学界引起了巨大的轰动，对于是否存在第五种力，科学家们也展开了激烈的争论。
在进行各种有关引力的实验时，许多科学家也同样遇到了无法单纯以引力解释的现象，因此，这些科学家提出支持费希巴赫的证据。
但是，也有不少科学家坚持认为在自己的实验中并没有找到存在新力的证据。美国加利福尼亚大学着名物理学家纽曼就做过这样一个实验：在扭秤上悬挂一块铜块，把扭秤放在一个钢的圆筒内，铜块刚好处于圆筒中心靠边的位置，将它变换不同的位置。整个实验是在真空环境中并且严格排除磁场的影响下进行的。结果显示，钢圆筒的引力并没有使变动位置的铜块所受的重力产生任何影响。
面对科学家们的争论，费希巴赫也承认，还需要进行一系列的实验来证明第五种力是否确实存在。而众多科学家也都摩拳擦掌地为寻找这种神秘的力准备进一步的实验。比如说美国科罗拉多州的实验物理联合研究所就有重做伽利略的落体实验的计划，他们采用了激光来监测物体下落的速度。他们准备把下落物体放在上个盒子的真空轴内，以免在实验时受气流干扰；盒子下面再装一面反射镜，可将光线沿射来的方向反射回去。为了确保在下落时盒子及所装的各种物体保持相对稳定，盒子中还另有装置。一束激光在物体下落时可以被分割为二半，一半射向盒子，被反射回来，与另一半会合，产生出各种投影，这样就能够更加准确地描绘出在速度增加时一个下落物体所受到的各种干扰情况。他们的下一步打算是在在水面上进行实验，让要进行比较的试验物体浮游在水面，而不是悬在扭秤上。还要严格使水温保持在其密度量大时的3℃，以防止水中热的流动。
然而对于上述试图证明宇宙中存在新力的实验设想，许多科学家并不感到乐观。美国普林顿大学的一位科学家指出，证明伽利略论断的实验“在原则上是最简单的，但在实践中却是最复杂的。”因为在实验中人们很难照顾到全部复杂的因素，以及排除各种外部的干扰。做实验时，实验者本人引力的影响，近处底层发生一次难以察觉的运动，都可能使精心准备的各种方案功亏一篑。
此外，对于第五种力，科学家在可能带来的影响的估计上也没有形成共识。多数人认为，这可以动摇爱因斯坦相对论的理论基础，将是物理学上的一次“革命”，而且可能影响今后的物理学发展方向及新兴的航天学。但也有人认为，充其量这种力只是一种极其微弱、只在局部范围起作用的现象，并不一定动摇相对论。而结果还要等到这第五种力真的发现了才好判断。
相关链接——反引力之谜
强度随距离平方而减少的场有两种，一种是电磁场，一种是引力场。这种减少比较缓慢，所以就算很远的地方，也能发现这两种场的存在。地球被太阳的引力场紧紧地抓住不放，虽然它离开太阳有1.5亿千米远。
但是，在这两种场当中，引力场又比电磁场弱很多。一个电子所产生的电磁场要比它所产生的引力场大约强4亿亿亿亿倍。似乎表面上看引力场更强大，比如我们从高处跌落下来时会摔得很疼，这种巨大的引力只是因为地球太大了。由于地球的每个小块都对引力场有贡献，一点点加起来，总的引力场就显得可观了。
如果我们拿出1亿个电子，并让它们散布在地球那么大的空间里。这些电子就会产生和整个巨大的地球所建立的引力场一样强大的电磁场。
那么我们对电磁场的感觉为什么不像对引力场那样明显呢？这源于二者之间的区别，电荷有两种——正电荷和负电荷，因此，电磁场在产生吸引作用的同时，也可产生排斥作用。事实上，在像地球那么大的体积内，如果除了1亿个电子之外别无他物的话，这些电子就会互相排斥，远远地散开。电磁吸引力和排斥力的作用，能够让正电荷与负电荷均匀地混合起来，这样两种电荷的效应就趋于互相抵消，不过可能存在电荷数目的极其微小的差别。我们所研究的，也正是这种多一点或少一点某种电行时的电磁场。然而，引力场看来仅仅产生吸引力，每一种具有质量的物体都会吸引其他具有质量的物体，而当质量增加时，引力场就会增大，而且不会抵消。
如果某个具有质量的物体能排斥另一个具有质量的物体，而且正好与一般情况下彼此互相吸引时的强度和排斥方式一样，那么我们就得到了“反引力”，或叫“负引力”。
可能由于我们所能研究的一切物体都是由普通的物质微粒构成的缘故，人们还从未发现这种引力排斥作用。
世界上存在着一种各方面都与普通的粒子相同的“反粒子”，它们所产生的电磁场恰好同普通粒子相反。例如，如果某一种粒子具有负电荷，相应的反粒子就会有正电荷。也许，反粒子也会具有相反的引力场。两个反粒子会像两个普通粒子一样以引力互相吸引，但是一个反粒子却会排斥一个普通粒子。
让人抓狂的是，引力场太微弱了，要想发现引力场，需要相当大的质量，而单个粒子或反粒子的引力场是无法发现的。我们能得到普通粒子构成的大质量，但到现在仍未能搜罗到足够的反粒子。而且到现在也没有谁能够提出一种能够发现反引力效应的切实可行的办法来。
真空的秘密
科学家葛利克在1654年曾做过一个名垂科学史的实验：将用铜精制的两个大半球对接密封起来，然后用他自己发明的抽气机抽出球内空气，派16匹马背向对拉两个半球，马最终竭尽全力才拉开。这表明，我们周围充满空气，并非什么都没有，它对物体施加了压力（球内空气密度因抽气远于小地球外的，导致球外压力远大于球内的）。球内经抽气后的空间，就叫做真空。
对真空的认识
人类对真空的认识曾经历过几次根本的变革和反复。古希腊德谟克利特提出过原子论：所有的物质都是由原子组成的，原子之外就是虚空。
17世纪，又有了R.笛卡儿的以太漩涡说，他认为空间充满了以太，并用以说明行星的运动。
不久以后，牛顿又通过建立牛顿力学（以运动三定律和万有引力定律为基石）成功地解决了行星绕日运动的问题，认为引力也是超距作用的，无需以太作为传递媒介，这就从根本上证明了以太论的错误。
19世纪又发现了光的波动性，从而得出波的传播必须依靠介质的结论；后来以太论在发现电磁场的波动性后再度兴起，认为不论何时何地宇宙中任何物体内都充满以太，光和电磁波被解释为以太的机械振动。后来在观念上虽然有所变化——把光和电磁波看成电磁场的振动，但以太仍然保留着某种绝对的性质，它被看作是描述万物运动的绝对静止的参考系。
19世纪末20世纪初期，各种试图探测地球相对于以太运动速度的实验都失败了，到爱因斯坦建立狭义相对论，这种作为绝对静止以太的存在才被再次否定了。后来由于爱因斯坦在用场论观点研究引力现象时，已经认识到空无一物的真空观念是有问题的，他曾提出真空是引力场的某种特殊状态的想法。
P.A.M.狄拉克首先了给予真空崭新物理内容。他于1930年提出了真空是充满负能态的电子海。电子海中只有当负能态的电子吸收了足够的能量跃迁到正能态成为普通电子时，才会留下可观测的空穴，即正电子。从体系的能量角度来说，这种情况比只有电子海的真空状态要高，因此真空就是能量最低的状态。从现代量子场论的观点看，每种粒子对应于一种量子场，粒子就是对应的场量子化的场量子。空间存在某种粒子就表明那种量子场处于激发态；反之就意味着场处于基态。因此，真空是没有任何场量子被激发的状态，或者说真空是量子场系统的基态。
近代科学家开始通过实验来检验关于真空的认识。例如氢原子能级的兰姆移位和电子的反常磁矩，实验上已经用非常高的精度证实了真空极化的效应；高能正负电子对撞湮没为高能光子，反之高能光子可使真空激发出大量的粒子，也能很好地证明这一点。
不过，目前物理学家还在探索真空自发破缺和真空相变等问题，对于真空的认识还处于初级探索阶段。
真空的特性
也许有人认为，真空就是完全空的。其实真空既不是意味着空，也不意味着就是“无”。科学家直至今天依然不能完全排除空气，即使是某一小范围内的。电视机显像管需要高真空才能保证图像清晰，其内真空度达到几十亿分之一个大气压，即其内1立方厘米大小的空间仍有好几百亿个空气分子。为防止加速的基本粒子与管道中的空气分子碰撞而损失能量，在高能加速器上，需要管道保持几亿亿分之一个大气压的超高真空，但即使是这样的空间，l立方厘米内仍有近千个空气分子。太空实验室是高度真空的，每立方厘米的空间也有几个空气分子。
上述以抽出空气方式得到的真空，称为技术真空，但它也不空。科学家称完全没有任何实物粒子存在的真空，即技术真空的极限，为“物理真空”。它非但不空，而且极为复杂。按照狄拉克的观点，它是一个填满了负能电子的海洋。
新知博览——反粒子现象
粒子是在原子核以下层次物质的单独形态以及轻子和光子的统称。在历史上，有些粒子曾被称为基本粒子。
所有的粒子都有与其质量、寿命、自旋、同位旋相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数异号的粒子存在，这种粒子就被称为该种粒子的反粒子。除了某些中性玻色子外，粒子与反粒子是两种不同的粒子。一切粒子都有其相应的反粒子，如质子p的反粒子是反质子，电子e-的反粒子是正电子e+，中子n的反粒子是反中子。而一些中性玻色子如光子、π0介子等，其反粒子就是它们本身。
P.A.M.狄拉克于1928年在预言正电子时最早提出反粒子，1932年又被C.D.安德森实验发现而证实；美国物理学家张伯伦于1956年，在劳伦斯-伯克利国家实验室又发现了反质子。进一步研究发现，狄拉克的空穴理论不能解释所有粒子和反粒子，因为它对玻色子不适用。根据量子场论，粒子被看作是场的激发态，而反粒子就是这种激发态对应的复共轭激发态。
正反粒子是从场论的观点来认识的，场的激发态表现为粒子；与之对应，场的复共轭激发态表现为反粒子。当γ光子的能量大于某种粒子静能的两倍时，在一定条件下就可产生正反粒子对；反之，正反粒子相遇便会湮没并产生两个光子或三个光子，遵从质量－能量守恒和动量守恒。
迄今为止，几乎所有相对于强作用来说是比较稳定的粒子的反粒子都已被发现。如果反粒子按照通常粒子那样结合起来，就形成了反原子；而由反原子构成的物质，就是反物质了。
光的神奇本质
人们对光的关注从人开始思考这个世界就开始了，因为我们就生活在光无处不在的世界中。在自然科学从宗教中分离开之前，人类对于光的本质的理解几乎没有进步，只是停留在对光的传播、运用等形式上的理解层面。牛顿构建了经典物理学的大厦后，人类的科学思想得到突破，开始讨论类似你“光是什么”的问题，并且在一定程度上取得了理论上的成果。
牛顿的光实验
1666年，当牛顿用数学公式表达出他的三个运动定律和万有引力定律时，他同时也在用光做实验。雨后彩虹具有炫目的色彩，光通过豪华装饰灯的棱柱会产生各种颜色，这些都是人们所熟悉的现象。当时人们认为光是白色的，是天空中的什么东西及玻璃中的物质给光添加了颜色。牛顿在晚些时候写道：“在1666年，我做了一个玻璃三棱镜，以演示这种光的现象。”
牛顿做的实验非常简单，但这之前没有人想到去做这件事。牛顿将工作室的窗户遮住，只留一个小洞让很窄的一束光射进来，射进来的光是白色的。他再把他做好的三棱镜放在光前。于是，在对面的墙上就出现了包含全部颜色的光谱。
