你了解自然界的四種基本力嗎?主宰宇宙中發(fā)生的一切

據(jù)國外媒體報道，各類物理力在宇宙中無處不在。從在路上行走到火箭發(fā)射，再到貼在冰箱上的冰箱貼，這些都需要力的作用。盡管看上去花樣繁多，但我們?nèi)粘＝?jīng)歷的所有力都可以歸結(jié)成四種基本力：引力、弱力、電磁力、以及強核力。這些便是自然界的四種基本作用力，宇宙中發(fā)生的一切都由它們主宰。

引力

引力指兩個具有質(zhì)量或能量的物體之間的相互吸引力。從橋上墜落的石塊、圍繞恒星旋轉(zhuǎn)的行星、月球引發(fā)的潮汐……這些都是引力的體現(xiàn)。引力大概是最容易被理解、也最為人熟知的一種基本作用力，但也是最難解釋的一種。

牛頓是首個提出引力概念的人(據(jù)說是由樹上掉落的蘋果啟發(fā)的)。他將引力描述為兩個物體之間的吸引力。但在幾個世紀之后，愛因斯坦在廣義相對論中提出，引力其實并不是一種吸引、也不是一種力，而是物體使時空發(fā)生扭曲的結(jié)果。一個大型物體對時空的作用，有點像把一個大球放在一張床單中間，會使床單發(fā)生形變，而床單上的其它較小物體便會隨之向中間滾落。

雖然引力能夠?qū)⑿行恰⒑阈?、太陽系、甚至星系維系在一起，但它實際上是最弱的一種基本力，在分子和原子尺度上尤其微弱。你可以這樣理解：從地上拿起一個球、或者抬起一只腳、或者跳幾下到底有多難?這些動作都是在與整個地球的引力相對抗。在分子和原子尺度上，相比其它幾種基本力，引力的影響可以說微乎其微。

弱力

弱力又叫弱核相互作用，與粒子衰變有關(guān)。衰變是指一種類型的亞原子粒子轉(zhuǎn)變成另一類型，例如，一個靠近中子的中微子能夠?qū)⒃撝凶愚D(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，同時自身轉(zhuǎn)變成電子。

物理學家通過玻色子的交換來描述這種相互作用過程。玻色子是一種攜帶著力的粒子。特定類型的玻色子分別對應(yīng)著弱力、電磁力和強力。弱力涉及的是兩種名為“W玻色子”和“Z玻色子”的帶電粒子。當質(zhì)子、中子和電子等亞原子粒子之間的距離小于10-18米、或質(zhì)子直徑的0.1%時，玻色子就會在它們之間發(fā)生交換，使這些亞原子粒子衰變成為新的粒子。

弱力在核聚變反應(yīng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。太陽通過核聚變產(chǎn)生能量，滋養(yǎng)著大多數(shù)地球生命。此外，考古學家會利用碳14來判斷遠古時期的骨頭、木頭和其它生物化石的年代，這也與弱力分不開。碳14分子由6個質(zhì)子和8個中子構(gòu)成，其中一個中子衰變成質(zhì)子后，便形成了氮14，由7個質(zhì)子和7個中子構(gòu)成。這種衰變發(fā)生的速度規(guī)律性很強，因此科學家可以用它確定古代化石的年代。

電磁力

電磁力又名洛倫茲力，作用于帶電粒子之間(如帶負電荷的電子和帶正電荷的質(zhì)子)。電荷異性相吸、同性相斥。電荷越高，彼此之間的電磁力越強。此外和引力一樣，即使兩個帶電粒子相隔無限遠，相互之間的電磁力也依然存在，只不過會非常、非常微弱。

從名字可以看出，電磁力由兩部分構(gòu)成：電力和磁力。物理學家最初將它們描述為相互獨立的兩種力，但他們之后意識到，電力和磁力其實是同一種力的兩個成分。

其中，無論帶電粒子處于運動狀態(tài)還是靜止狀態(tài)，電力都會在它們之間發(fā)揮作用，產(chǎn)生讓兩個粒子相互影響的電場。但一旦帶電粒子開始運動，它們之間就會表現(xiàn)出磁力、在周圍生成磁場。每當你給電腦充電、或打開電視時，電子一旦在電線中飛速運動起來，電線就會產(chǎn)生磁性。

電磁力在帶電粒子之間的轉(zhuǎn)移是通過光子實現(xiàn)的，光子是一種沒有質(zhì)量的玻色子，即構(gòu)成光的粒子。不過，在帶電粒子之間轉(zhuǎn)移的光子其實是光子的另一種表現(xiàn)形式，它們是虛擬的，無法被探測到，雖然從技術(shù)層面來說，它們和實際存在的、可探測的光子完全相同。

我們在日常生活中感受到的眾多現(xiàn)象都與電磁力有關(guān)，比如摩擦力、彈力、普通的力、以及讓固體保持一定形狀的力等等。甚至連鳥類和飛機飛行時產(chǎn)生的的拖曳感也與電磁力有關(guān)。這些現(xiàn)象之所以能夠發(fā)生，都是因為帶電粒子(或中性粒子)之間發(fā)生的相互作用。例如，一本書之所以能穩(wěn)穩(wěn)地放在桌面上、而不會在重力作用下透過桌面掉到地上，就是因為桌子原子中的電子會與書本原子中的電子相互排斥所致。

強核力

強核力又名強核相互作用，是自然界四種基本力中最強的一種，強度達引力的6×1039倍。它可以將構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子結(jié)合在一起、形成更大的粒子，如將夸克結(jié)合在一起、構(gòu)成質(zhì)子和中子，再將質(zhì)子和中子結(jié)合在一起、構(gòu)成原子核。

與弱力相似，強力只有在亞原子粒子間距離極小時才能發(fā)揮作用，彼此之間的距離不能超過10-15米，約等于質(zhì)子直徑。

強力的奇特之處在于，不同于其它幾種基本力，亞原子粒子距離越近、強力就越弱，粒子距離最遠時反而最強。一旦兩個夸克進入彼此的作用范圍，膠子(一種沒有質(zhì)量的帶電玻色子)就會在它們之間傳遞強力，將它們緊緊“黏結(jié)”在一起。一小部分強力會在質(zhì)子與中子之間發(fā)揮作用，名為“殘留強力”。原子核中的質(zhì)子由于都帶正電荷，本應(yīng)相互排斥，但殘留強力可以蓋過這種排斥力，使原子核中的粒子維持結(jié)合狀態(tài)。

統(tǒng)一的自然

關(guān)于四大基本力，有一個問題尚未解決：所謂的“四種”基本力，會不會其實是宇宙中一種高級力的不同體現(xiàn)呢?若真是這樣的話，各種力應(yīng)當都能與其它力合并才對。而目前已經(jīng)有證據(jù)體現(xiàn)了這種可能性。

1979年的諾貝爾物理學家授予了哈佛大學的謝爾頓·格拉肖(Sheldon Glashow)、史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)、以及帝國理工學院的阿卜杜斯·薩拉姆(Abdus Salam)，因為他們實現(xiàn)了電磁力與弱力的統(tǒng)一、提出了“電弱力”的概念。而物理學家還希望找到某種大一統(tǒng)理論，能夠?qū)㈦娙趿εc強力結(jié)合在一起、形成電核力。根據(jù)模型預測，這種力的確是存在的，但目前尚未被研究人員觀察到。最終，研究人員還需要將電核力與引力統(tǒng)一在一起，形成真正的“萬物理論”，即能夠解釋整個宇宙的理論框架。

但物理學家發(fā)現(xiàn)，要想將微觀世界與宏觀世界結(jié)合在一起相當困難。在較大尺度、尤其是天文尺度上，引力占主導作用，最好用愛因斯坦的廣義相對論來解釋。但在分子、原子或亞原子尺度上，自然界則最好由量子力學來解釋。而到目前為止，還沒有人能很好地將這兩個迥異的世界設(shè)法結(jié)合在一起。

研究“量子引力”的物理學家希望能用量子世界的概念來描述引力，從而推進兩個世界的結(jié)合。而這種方法的關(guān)鍵在于找到引力子，即理論上存在的引力玻色子。引力是目前唯一一種不用玻色子便可描述的基本力，但由于其它幾種基本力的解釋都需要玻色子，科學家認為一定也存在亞原子級別的引力子，只是尚未找到而已。

“暗物質(zhì)”和“暗能量”的概念則使整個局面變得更加繁冗復雜。宇宙約95%都由它們構(gòu)成。目前仍不清楚暗物質(zhì)和暗能量究竟是由單個粒子構(gòu)成、還是由一整套擁有自己的力和“信使”玻色子的粒子構(gòu)成。

目前科學家最感興趣的信使粒子主要是理論中的“暗光子”，它可以調(diào)解可見宇宙與不可見宇宙之間的相互作用。假如暗光子真的存在，將成為我們探測暗物質(zhì)的關(guān)鍵，并幫助科學家發(fā)現(xiàn)第五種基本力。不過目前為止，科學家尚未發(fā)現(xiàn)任何暗光子存在的跡象，甚至有研究提出了“暗光子并不存在”的強有力證據(jù)。