近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士團隊與南京大學(xué)組成的聯(lián)合研究組在暗能量探測領(lǐng)域取得重大進展，利用抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)在實驗室環(huán)境中對一種重要的暗能量理論——變色龍理論進行了實驗檢驗，未發(fā)現(xiàn)該理論預(yù)言的“第五種力”，從而排除了其作為暗能量的可能。這是所有暗能量理論中的首個確定性的實驗檢驗。相關(guān)研究成果日前在國際學(xué)術(shù)期刊《自然物理學(xué)》發(fā)表。
宇宙學(xué)和天文學(xué)的一些觀測事實表明，我們的宇宙正處于加速膨脹中，而暗能量被認為是驅(qū)動膨脹的原因。但是，對于暗能量的本質(zhì)是什么，以何種方式與我們的世界發(fā)生作用，目前仍然未知。為探索神秘的暗能量場，國際上布局了多種實驗研究計劃，傳統(tǒng)的手段主要是借助天文觀測或大型物理裝置，如太空望遠鏡、地下實驗室以及大型高能粒子加速器等。中科院微觀磁共振重點實驗室于近年來創(chuàng)新發(fā)展了基于固態(tài)自旋、氣態(tài)原子、微力學(xué)系統(tǒng)等能夠在實驗室尺度開展探索的實驗體系和技術(shù)，為拓展人類對宇宙的認識提供了新途徑，已完成一系列重要的實驗研究。
此項研究針對一種重要的暗能量理論——變色龍理論開展實驗檢驗。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(yù)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。本工作研究人員利用抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)作為力探測器，精巧構(gòu)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(yù)言的第五種力進行了檢測。研究中，對變色龍場做了精細的數(shù)值模擬和基于此的第一性原理幾何設(shè)計，對質(zhì)量源與力探測器采用了薄膜結(jié)構(gòu)，有效解決了變色龍場在質(zhì)量源端和力探測器端的雙重屏蔽困難；并且，實驗中產(chǎn)生了超長相干時間的第五種力驅(qū)動以提高力探測精度。以上技術(shù)極大提升了對第五種力的探測效率，實現(xiàn)了迄今為止對變色龍理論的國際最高檢測精度，將理論預(yù)言的變色龍作用力上限限制到6 x 10-17牛。結(jié)合先前其他實驗，該研究最終完成了基礎(chǔ)變色龍理論的全參數(shù)空間檢驗，未發(fā)現(xiàn)該理論預(yù)言的“第五種力”，從而確定性地排除了這一暗能量理論。
△圖1：抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)實驗系統(tǒng)（左）；實驗探測給出的變色龍第五種力上限（右）
△該研究的暗能量探測結(jié)果
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(lǐng)域的一個重大進展。這一工作充分展示了精密力探測與宇宙學(xué)研究的交叉融合，有望激發(fā)宇宙天文學(xué)、粒子物理學(xué)和原子分子物理學(xué)等多個基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛興趣。”（總臺央視記者 帥俊全）
