【原】支配宇宙的四種“力量”：關(guān)于四大基本力，你知道多少？

魅力科學(xué)君 2023-05-23 發(fā)布于四川

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盡管宇宙浩瀚得令人我們難以想象，但它的運行規(guī)律卻是簡潔而優(yōu)美的，比如說已知宇宙中所有的相互作用，基實都可以歸結(jié)為四種“力量”，它們控制著宇宙中不同范圍和尺度上的相互作用，支配著整個宇宙的運行。

支配宇宙的四種“力量”被稱為四大基本力，它們分別是引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力，那么關(guān)于這四大基本力，你知道多少呢？

引力

引力是一種我們非常熟悉的基本力，畢竟我們隨時隨地都在感受到地球引力的作用。

最早用數(shù)學(xué)公式描述引力的是牛頓，他認為有質(zhì)量的物體都會產(chǎn)生引力，并且引力的作用距離無限遠。但牛頓并沒有解釋引力是如何產(chǎn)生以及傳遞的，到了20世紀，愛因斯坦在他提出的《廣義相對論》中，將引力解釋為時空的彎曲，他認為有質(zhì)量的物質(zhì)都會使其周圍的時空發(fā)生彎曲，而彎曲的時空則會反過影響物質(zhì)的運動。

不過愛因斯坦并沒有考慮引力在微觀尺度上是如何表現(xiàn)出粒子性，也就是說引力并沒有被量子化，盡管物理學(xué)家預(yù)測了有一種被稱為“引力子”的基本粒子，但直到現(xiàn)在，“引力子”是否真的存在，仍然是一個未解之謎。

在四大基本力中，引力的強度是最弱的，有多弱呢？舉個例子，假設(shè)你將一枚鐵質(zhì)的回形針放在地球表面，然后再用一塊磁鐵從上方去不斷接近這枚回形針，那么不出意外的話，當距離近到了一定的程度，這枚回形針就會磁鐵吸離地面，這就意味著，整個地球?qū)匦吾槷a(chǎn)生的引力，還比不過你手中的這塊小小的磁鐵所產(chǎn)生的電磁力。

盡管引力是如此之弱，但它卻有一個特點，那就是它是長程力，并且只有吸引力，沒有排斥力，這就使得引力可以無限疊加，變得非常巨大，所以在宇宙的宏觀尺度上，引力是占據(jù)主導(dǎo)作用的基本力，它決定了宇宙中眾多天體的形成以及運行。

電磁力

電磁力就是基本粒子在電荷、電流和磁場的相互作用下所產(chǎn)生的力，由于電磁力是一種有極性的力（即同種電荷互相排斥，異種電荷互相吸引），因此在電磁力的作用下，物質(zhì)就可以形成不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)，例如原子就是由帶正電的原子核和帶負電的電子構(gòu)成、分子則是通過不同的原子之間的電磁力結(jié)合在一起。

電力和磁力曾經(jīng)被認為是兩種不同但彼此相關(guān)的力，直到18世紀，科學(xué)家們才逐漸發(fā)現(xiàn)，電和磁很可能就是一回事，比如說變化的磁場能產(chǎn)生電流，而電流也能產(chǎn)生磁場，最終，麥克斯韋用數(shù)學(xué)方程式將電力和磁力完美地統(tǒng)一成電磁力。

到了20世紀，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了電磁場的量子性，隨后提出了一種被稱為光子的基本粒子。簡單來講，光子可被視為是電磁場的量子化表現(xiàn)，物質(zhì)之間的電磁力，其實就是通過光子傳遞的。

值得一提的是，在我們的日常生活中，電磁力可以說是無處不在，從本質(zhì)上來講，我們所常見的力如支撐力、拉力、推力、彈力、摩擦力……等等等等，其實都是電磁力的作用。

強相互作用力

這是一種只在微觀尺度上起作用的基本力，它可以使夸克之間產(chǎn)生強大的吸引作用，進而形成像中子、質(zhì)子這樣的復(fù)合粒子，這種由強相互作用力形成的復(fù)合粒子被稱為強子（hadron），除了形成強子之外，強相互作用力還有一個殘余效應(yīng)，這種效應(yīng)使得質(zhì)子和中子之間也會產(chǎn)生強大的吸引作用，進而形成原子核。

強相互作用力發(fā)現(xiàn)于20世紀中葉，科學(xué)家在利用粒子加速器將高能粒子撞擊原子核的時候發(fā)現(xiàn)，在被“撞碎”的原子核的“碎片”之中，不但存在著質(zhì)子和中子，還存在著一些其他類型的粒子，并且這些粒子的壽命通常都很短，它們很快就會發(fā)生衰變，于是科學(xué)家據(jù)此推測，這些粒子是由更小的基本粒子，后來這種基本粒子就被稱為夸克（quark）。

總的來講，夸克有六種不同的“味道”（flavor），分別叫做上（up）、下（down）、奇（strange）、粲（charm）、底（bottom）和頂（top），每種夸克還有三種不同的“顏色”（color），分別叫做紅（red）、綠（green）和藍（blue），夸克之間通過交換一種被稱為膠子的基本粒子產(chǎn)生強相互作用力。

（注：夸克的“味道”和“顏色”只是為了方便區(qū)別它們，而不是真正描述了夸克的具體性質(zhì)）

強相互作用力有一個特點，那就是在其作用范圍內(nèi)，它會隨著距離的增大而迅速增強，也會隨著距離的減小而迅速減弱，這被稱為“漸進自由”。

這樣的現(xiàn)象就會導(dǎo)致想要將兩個夸克彼此分開，就必須輸入很高的能量，而在能量大到足以將兩個夸克徹底分離之前，輸入的能量就足以激發(fā)出一對“新”的夸克，于是“舊”的夸克還沒有分開，“新”的夸克就已經(jīng)產(chǎn)生，在此之后，“舊夸克”和“新夸克”又會迅速地各自結(jié)合在一起，進而形成兩對夸克。這就意味著，我們根本沒有辦法得到單個的夸克，這樣的現(xiàn)象也被稱為“夸克禁閉”。

所以夸克就只能以兩個或三個為一組形成強子，其中兩個夸克組成的強子被稱為介子（meson），比如說π介子、K介子，而由三個夸克組成的強子被稱為重子（baryon），比如說質(zhì)子由一個下夸克和兩個上夸克構(gòu)成，中子由兩個下夸克和一個上夸克構(gòu)成，它們都是重子。

在宇宙中支配宇宙的四種“力量”之中，強相互作用力是最強的，它有一個非常重要的作用，那就是驅(qū)動恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，進而使恒星發(fā)光發(fā)熱成為可能，可以說沒有了這種基本力，我們的宇宙將沒有那些閃亮的恒星。

弱相互作用力

這種基本力發(fā)現(xiàn)于20世紀初，當時的科學(xué)家觀察到，一些具有放射性的元素會自發(fā)地發(fā)射出電子或正電子等粒子，并使得原子核發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為“β衰變”，在此之后，科學(xué)家逐漸意識到，造成“β衰變”的是一種新的基本力，并將其稱為弱相互作用力。

弱相互作用力也是只在微觀尺度上起作用，它通過W+玻色子、W-玻色子和Z玻色子這三種基本粒子來產(chǎn)生，其所起的作用讓夸克的“味道”發(fā)生改變，從而導(dǎo)致不同類型的粒子之間的發(fā)生轉(zhuǎn)化。

例如弱相互作用力可以讓中子內(nèi)的一個下夸克轉(zhuǎn)變成上夸克，同時釋放出一個W-玻色子，而這個W-玻色子的壽命極為短暫，它很快就衰變成了一個電子和一個反電子中微子，這其實就是中子通過“負β衰變”轉(zhuǎn)變成質(zhì)子的過程，即：中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，同時釋放出一個電子和一個反電子中微子。

反過來講，弱相互作用力也可以讓質(zhì)子內(nèi)的一個上夸克轉(zhuǎn)變成下夸克，進而使質(zhì)子通過“正β衰變”轉(zhuǎn)變成中子，同時釋放出一個正電子和一個電子中微子。

值得注意的是，根據(jù)目前的主流理論“大爆炸宇宙論”，在宇宙誕生之初，正是弱相互作用力造成了物質(zhì)和反物質(zhì)之間產(chǎn)生了微小的不對稱，才使得宇宙可以演化成現(xiàn)在我們所看到的樣子。

除此之外，弱相互作用也使得氫原子核的聚變成為了可能，這是因為氫原子核其實就是質(zhì)子，而質(zhì)子發(fā)生核聚變的第一步，就是兩個質(zhì)子形成含有一個中子和一個質(zhì)子的氘原子核，而這一步就必須要有弱相互作用力的參與。由此可見，弱相互作用力在宇宙中所起的作用還是相當大的。