科學家完成首個確定性暗能量理論實驗檢驗

抗磁懸浮力學系統實驗系統 中國科大供圖

在《科學》雜志發布的125個最具挑戰性的科學問題中，“宇宙由什么構成”排在第一個。宇宙學和天文學的一些觀測事實表明，宇宙正處于加速膨脹中，而暗能量被認為是驅動其膨脹的原因。但是，暗能量的本質是什么，它以何種方式與我們的世界發生作用，目前仍然未知。

變色龍理論是用來解釋宇宙加速膨脹的一種理論模型，該理論的最大特征之一是預言了已知四種基本相互作用外的“第五種力”，在形式上可以寫為萬有引力作用的微小偏離，這為實驗研究提供了可能。

此次工作中，研究人員利用抗磁懸浮力學系統作為力探測器，精巧構建了亞毫米尺度的具有超高靈敏度的“桌面式”力探測平臺，對變色龍理論所預言的“第五種力”進行了檢測。

研究人員對變色龍場做了精細的數值模擬和基于此的第一性原理幾何設計，對質量源與力探測器采用了薄膜結構，有效解決了變色龍場在質量源端和力探測器端的雙重屏蔽困難；并且，實驗中產生了超長相干時間的“第五種力”驅動以提高力探測精度。

以上技術極大提升了對“第五種力”的探測效率，實現了迄今為止對變色龍理論的國際最高檢測精度，將理論預言的變色龍作用力上限限制到6 x 10-17牛頓。結合先前其他實驗，該研究最終完成了基礎變色龍理論的全參數空間檢驗，未發現該理論預言的“第五種力”，從而確定性地排除了這一暗能量理論。

這一工作充分展示精密力探測與宇宙學研究的交叉融合，有望激發科研人員對宇宙天文學、粒子物理學和原子分子物理學等多個基礎科學領域的廣泛興趣。審稿人高度評價該工作：“在我看來這是一個非常重要的成果，代表了該領域的一個重大進展。“