我们每天经历的所有力都可以归结为四个基本的力:引力、弱核力、强核力和电磁力,它们支配着宇宙中发生的一切。
引力
引力是两个具有质量的物体之间的相互吸引,无论是从桥上扔下一块石头,还是绕着一颗恒星运行的行星或引起海洋潮汐的月球,都是引力的结果。引力可能是我们最直观、最熟悉的基本力,但它也是最难解释的力之一。
艾萨克·牛顿是第一个提出万有引力的人,据说他的灵感来自于一个从树上掉下来的苹果。他把引力描述为两个物体之间的吸引力。几个世纪后,阿尔伯特·爱因斯坦通过他的广义相对论提出,引力不是一种力。相反,它是物体弯曲时空的结果。一个大物体在时空中的作用有点像一个放在纸中间的大球,它会让纸变形,并导致纸上其他更小的物体向中间下落。
虽然万有引力将行星、恒星、太阳系甚至星系聚集在一起,但它却是最弱的基本力,尤其是在分子和原子尺度上。把一个物体从地上提起来或者往上跳等动作都在抵消整个地球的引力。在分子和原子水平上,引力相对其他基本力来说几乎没有影响。
弱核力
弱核力也称为弱相互作用,是粒子衰变的原因。物理学家通过交换称为玻色子的带力粒子来描述这种相互作用。特定种类的玻色子负责弱力、电磁力和强力。在弱力中,带电的玻色子有W和Z玻色子。当质子、中子和电子等亚原子粒子相互靠近10^-18米,即质子直径的0.1%时,它们可以交换这些玻色子,结果是亚原子粒子衰变为新的粒子。
弱力对于核聚变反应至关重要,核聚变反应为太阳提供能量,并产生地球上大多数生命形式所需的能量。考古学家可以使用碳14测定古代骨头、木头和其他现存的人工制品的年代。碳14有6个质子和8个中子,其中一个中子衰变为一个质子,生成氮14,氮14有7个质子和7个中子。这种衰变以可预测的速度发生,使科学家能够确定这些人工制品的年龄。
电磁力
电磁力在带电粒子之间起作用。相反的电荷相互吸引,而同种电荷相斥。电荷越大,力越大。就像万有引力一样,这个力在无限远处也能感觉到(尽管在这个距离上这个力会非常非常小)。
电磁力顾名思义由电力和磁力两部分组成。起初,物理学家把这些力描述为相互独立的,但研究人员后来意识到,这两个力是同一力的组成部分。
无论带电粒子是运动还是静止,带电粒子之间的电分量都会相互作用,从而形成一个电荷可以相互影响的场。但是一旦开始运动,这些带电粒子就开始显示第二种成分,磁力。当粒子移动时,它们会在周围产生磁场。例如,当电子通过导线为电脑、手机充电时,导线就会产生磁性。
电磁力是通过一种叫做光子的无质量、有载力的玻色子的交换产生的,光子也是光的粒子的组成成分。然而,在带电粒子间交换的带力光子是光子的不同表现形式。它们是虚拟的,无法探测的,尽管它们在技术上与真实的和可探测的粒子是一样的。
强核力
强核力又称强相互作用,是自然界四种基本力中最强的一种,它是万有引力的6万亿倍。它把构成质子和中子的夸克结合在一起,这种强大的力量也把原子核中的质子和中子结合在一起。
就像弱力一样,强力只有在亚原子粒子彼此非常接近时才会起作用。根据资料显示,它们之间的距离必须在10^-15米以内,或者大约在质子直径的范围内。
然而,这种强大的力是奇怪的,因为与其他任何基本力不同。亚原子粒子越靠近,它就越弱。当粒子彼此距离最远时,它实际上达到了最大强度。一旦距离合适,被称为胶子的无质量带电玻色子就会在夸克之间传递强大的力,使夸克“粘”在一起。在质子和中子之间有一小部分被称为残余强力的强力作用。原子核内的质子因电荷相似而相互排斥,但剩余的强力可以克服这种排斥,所以粒子仍被束缚在原子核内。
大统一
四种基本力的突出问题是,它们是否仅仅是宇宙中一种巨大力的表现。如果是这样,它们中的每一个都应该能够与其他力合并,而且已经有证据表明它们能够合并。
哈佛大学的物理学家Sheldon Glashow和Steven Weinberg以及伦敦帝国理工学院的Abdus Salam在1979年获得了诺贝尔物理学奖,因为他们将电磁力和弱力结合起来形成了电弱力的概念。物理学家们正在努力寻找一种所谓的“大统一理论”,其目的是将电弱力与强力结合起来,以定义一种电核力。最后一块拼图需要把引力和电核力统一起来,从而发展出所谓的万物理论,这是一个可以解释整个宇宙的理论框架。
然而,物理学家发现很难把微观世界和宏观世界合并起来。在很大的范围内,特别是在天文尺度上,引力占主导地位,并且爱因斯坦的广义相对论对引力有最好的描述。