今天和大家分享的是，用高分辨率的分子氫離子振動光譜來測試帶電重子之間的相互作用。

帶電重子是由三個夸克組成的復(fù)合粒子，比如質(zhì)子。夸克之間的相互作用是由強(qiáng)核力介導(dǎo)的，它是四種基本相互作用之一。強(qiáng)核力非常強(qiáng)，以至于夸克幾乎不可能被分離出來。但是，有些理論預(yù)測，在強(qiáng)核力之外，還存在著一種額外的力，它可以在帶電重子之間產(chǎn)生微小的效應(yīng)。這種力被稱為第五種力，它可能與暗物質(zhì)或暗能量有關(guān)。

那么，如何檢測第五種力呢？一種方法是利用分子氫離子（H2+或HD+）的振動光譜。分子氫離子是由一個質(zhì)子和一個氫原子組成的最簡單的分子，它的振動頻率可以用量子力學(xué)精確地計算出來。如果存在第五種力，那么它會導(dǎo)致分子氫離子的振動頻率發(fā)生微小的偏移。因此，通過測量分子氫離子的振動光譜，并與理論計算進(jìn)行比較，就可以尋找第五種力的存在或排除其可能性。

我們知道，分子中的原子核和電子之間存在著電磁相互作用，這種相互作用使得分子呈現(xiàn)出一定的形狀和距離，比如HD+就是一個線性分子，兩個核之間的距離約為0.074納米。但是，這種形狀和距離并不是固定不變的，而是會隨著溫度和能量的變化而發(fā)生微小的波動。這種波動可以用量子力學(xué)來描述，它表現(xiàn)出一些離散的能級，就像原子中電子的能級一樣。

我們把這些能級分為兩類：振動能級和轉(zhuǎn)動能級。振動能級對應(yīng)于分子中原子核沿著分子軸方向來回拉伸或壓縮的運(yùn)動，轉(zhuǎn)動能級對應(yīng)于分子繞著分子軸方向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動。這些能級之間的躍遷可以通過吸收或發(fā)射特定頻率的光來實現(xiàn)，這就是光譜學(xué)的基本原理。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員使用了一種非常先進(jìn)的激光光譜技術(shù)，它可以測量分子氫離子的振動頻率，精度達(dá)到了10^（-15）級別。這相當(dāng)于測量地球到月球之間的距離，誤差只有幾個納米。他們使用了兩種不同類型的分子氫離子：H2+和HD+。H2+是由兩個質(zhì)子和一個電子組成的，而HD+是由一個質(zhì)子、一個氘核和一個電子組成的。如果存在第五種力，那么它會導(dǎo)致這兩種分子氫離子的振動頻率有不同程度的偏移，因為它們含有不同數(shù)量的中子。

然而，經(jīng)過仔細(xì)地測量和分析，研究人員沒有發(fā)現(xiàn)任何第五種力的跡象。他們得到了一個非常嚴(yán)格的限制：如果第五種力存在，那么它對帶電重子之間距離為1納米時產(chǎn)生的作用力必須小于10^（-30）牛頓。這相當(dāng)于兩個蘋果之間產(chǎn)生的萬有引力的百萬分之一，這個結(jié)果與量子電動力學(xué)預(yù)測的完全一致。