几十年来，科学家一直在寻找一种第五种基本自然力，以解释宇宙中神秘的现象，如暗能量和暗物质。这些是我们宇宙中的一些现象，无法通过我们已知的四种基本自然力来解释：引力、电磁力、强核力和弱核力。此外，虽然对这一力的研究一直在持续，研究人员还在争先恐后地寻找量子引力理论。这是因为量子引力可以将我们对大尺度宇宙的最佳描述——阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论——与亚原子物理学，即量子力学结合起来。这两种理论出现于20世纪初，并多次得到实验验证，但它们在单一统一理论中却始终不重叠。但现在，这两个科学追求有了交集。新的研究建立了一个量子引力框架——发现它实际上提供了关于潜在第五种基本自然力的线索。该团队的研究结果表明，并非所有潜在的第五种基本力建议都可能存在，这种力将在非常小的距离下表现为对艾萨克·牛顿引力法则的小偏差，并由两个参数描述：它的强度和作用范围。从本质上讲，该研究可以缩小寻找第五种基本自然力的范围。“主要挑战之一是克服一个主要的概念障碍：量子引力常常被视为一个极为抽象的话题，几乎不可能与可观察现象联系起来，”国家天文物理研究所(INAF)的阿尔菲奥·博南诺在一封从意大利语翻译过来的电子邮件声明中表示。“在某种程度上，这就像站在一个大家认为无法攀登的山峰前。第一步不是技术上的，而是心理上的：说服自己可能的路径实际上是存在的。这个工作的出发点正是这个想法：寻找微观物理与现实世界中潜在可观察现象之间的具体联系。”该团队探索的量子引力框架被称为“渐近安全”，它断言引力在高能量下仍保持一致和受控，因为引力的强度会停止。如果这种理论在高能量水平下仍然有效，博南诺和同事发现，第五种基本力的范围和强度是有限的，导致这些参数的区域被排除。“最令人兴奋的方面是，理论上排除的区域部分尚未在实验中探索，”博南诺说。“这意味着未来对引力的高精度测量可以直接测试——并可能驳斥——这一类受量子引力启发的模型。” 通常，物理学家提出新的力假设，然后确定是否可以通过实验进行检测；而这项研究采取了不同的方法，通过排除提出力的特征的某些可能性。团队排除的大部分区域尚未在实验中得到探索，为进行精确的引力测量以测试量子引力奠定了基础。“我们的研究表明，量子引力不仅可能在极端和无法达到的能量下是有效理论，还可能在更大尺度上具有具体且可测试的后果，”INAF的埃米利亚诺·格拉维亚诺在声明中表示。“微观尺度的物理学可能在宏观世界留下可观察的痕迹：一些可能的新自然力量将不是通过实验而是直接被理论的基本法则所排除。”这项研究适用于量子物理的微观尺度，量子引力应该在这些尺度上出现，以及行星物体的尺度。因此，这一量子引力理论或作为牛顿定律偏差的第五种基本力的痕迹应该可以通过广泛的实验进行测试。这包括使用一种称为原子干涉仪或量子传感器的技术，在太阳系内进行测量，如月球激光测距，或在更大的天文尺度上测量行星的动力学。该团队的研究发表在《物理评论快报》五月期号中。