你了解自然界的四种基本力吗？主宰宇宙中发生的一切

  北京时间10月29日消息，据国外媒体报道，各类物理力在宇宙中无处不在。从在路上行走到火箭发射，再到贴在冰箱上的冰箱贴，这些都需要力的作用。尽管看上去花样繁多，但我们日常经历的所有力都可以归结成四种基本力：引力、弱力、电磁力、以及强核力。这些便是自然界的四种基本作用力，宇宙中发生的一切都由它们主宰。

  引力

  引力指两个具有质量或能量的物体之间的相互吸引力。从桥上坠落的石块、围绕恒星旋转的行星、月球引发的潮汐……这些都是引力的体现。引力大概是最容易被理解、也最为人熟知的一种基本作用力，但也是最难解释的一种。

  牛顿是首个提出引力概念的人（据说是由树上掉落的苹果启发的）。他将引力描述为两个物体之间的吸引力。但在几个世纪之后，爱因斯坦在广义相对论中提出，引力其实并不是一种吸引、也不是一种力，而是物体使时空发生扭曲的结果。一个大型物体对时空的作用，有点像把一个大球放在一张床单中间，会使床单发生形变，而床单上的其它较小物体便会随之向中间滚落。

  虽然引力能够将行星、恒星、太阳系、甚至星系维系在一起，但它实际上是最弱的一种基本力，在分子和原子尺度上尤其微弱。你可以这样理解：从地上拿起一个球、或者抬起一只脚、或者跳几下到底有多难？这些动作都是在与整个地球的引力相对抗。在分子和原子尺度上，相比其它几种基本力，引力的影响可以说微乎其微。

  弱力

  弱力在核聚变反应中发挥着至关重要的作用。太阳通过核聚变产生能量，滋养着大多数地球生命。

  弱力又叫弱核相互作用，与粒子衰变有关。衰变是指一种类型的亚原子粒子转变成另一类型，例如，一个靠近中子的中微子能够将该中子转变为质子，同时自身转变成电子。

  物理学家通过玻色子的交换来描述这种相互作用过程。玻色子是一种携带着力的粒子。特定类型的玻色子分别对应着弱力、电磁力和强力。弱力涉及的是两种名为“W玻色子”和“Z玻色子”的带电粒子。当质子、中子和电子等亚原子粒子之间的距离小于10-18米、或质子直径的0.1%时，玻色子就会在它们之间发生交换，使这些亚原子粒子衰变成为新的粒子。

  弱力在核聚变反应中发挥着至关重要的作用。太阳通过核聚变产生能量，滋养着大多数地球生命。此外，考古学家会利用碳14来判断远古时期的骨头、木头和其它生物化石的年代，这也与弱力分不开。碳14分子由6个质子和8个中子构成，其中一个中子衰变成质子后，便形成了氮14，由7个质子和7个中子构成。这种衰变发生的速度规律性很强，因此科学家可以用它确定古代化石的年代。

  电磁力

  电磁力又名洛伦兹力，作用于带电粒子之间（如带负电荷的电子和带正电荷的质子）。电荷异性相吸、同性相斥。电荷越高，彼此之间的电磁力越强。此外和引力一样，即使两个带电粒子相隔无限远，相互之间的电磁力也依然存在，只不过会非常、非常微弱。

  从名字可以看出，电磁力由两部分构成：电力和磁力。物理学家最初将它们描述为相互独立的两种力，但他们之后意识到，电力和磁力其实是同一种力的两个成分。

  其中，无论带电粒子处于运动状态还是静止状态，电力都会在它们之间发挥作用，产生让两个粒子相互影响的电场。但一旦带电粒子开始运动，它们之间就会表现出磁力、在周围生成磁场。每当你给电脑充电、或打开电视时，电子一旦在电线中飞速运动起来，电线就会产生磁性。

  电磁力在带电粒子之间的转移是通过光子实现的，光子是一种没有质量的玻色子，即构成光的粒子。不过，在带电粒子之间转移的光子其实是光子的另一种表现形式，它们是虚拟的，无法被探测到，虽然从技术层面来说，它们和实际存在的、可探测的光子完全相同。

  一本书之所以能稳稳地放在桌面上、而不会在重力作用下透过桌面掉到地上，就是因为桌子原子中的电子会与书本原子中的电子相互排斥所致。

  我们在日常生活中感受到的众多现象都与电磁力有关，比如摩擦力、弹力、普通的力、以及让固体保持一定形状的力等等。甚至连鸟类和飞机飞行时产生的的拖曳感也与电磁力有关。这些现象之所以能够发生，都是因为带电粒子（或中性粒子）之间发生的相互作用。例如，一本书之所以能稳稳地放在桌面上、而不会在重力作用下透过桌面掉到地上，就是因为桌子原子中的电子会与书本原子中的电子相互排斥所致。

  强核力

  强核力又名强核相互作用，是自然界四种基本力中最强的一种，强度达引力的6×1039倍。它可以将构成物质的基本粒子结合在一起、形成更大的粒子，如将夸克结合在一起、构成质子和中子，再将质子和中子结合在一起、构成原子核。

  与弱力相似，强力只有在亚原子粒子间距离极小时才能发挥作用，彼此之间的距离不能超过10-15米，约等于质子直径。

  强力的奇特之处在于，不同于其它几种基本力，亚原子粒子距离越近、强力就越弱，粒子距离最远时反而最强。一旦两个夸克进入彼此的作用范围，胶子（一种没有质量的带电玻色子）就会在它们之间传递强力，将它们紧紧“黏结”在一起。一小部分强力会在质子与中子之间发挥作用，名为“残留强力”。原子核中的质子由于都带正电荷，本应相互排斥，但残留强力可以盖过这种排斥力，使原子核中的粒子维持结合状态。

  统一的自然

  一些科学家认为，四种基本力可以合并为一种主宰宇宙万物的力，这就是所谓的统一场理论。

  关于四大基本力，有一个问题尚未解决：所谓的“四种”基本力，会不会其实是宇宙中一种高级力的不同体现呢？若真是这样的话，各种力应当都能与其它力合并才对。而目前已经有证据体现了这种可能性。

  1979年的诺贝尔物理学家授予了哈佛大学的谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow）、史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）、以及帝国理工学院的阿卜杜斯·萨拉姆（Abdus Salam），因为他们实现了电磁力与弱力的统一、提出了“电弱力”的概念。而物理学家还希望找到某种大一统理论，能够将电弱力与强力结合在一起、形成电核力。根据模型预测，这种力的确是存在的，但目前尚未被研究人员观察到。最终，研究人员还需要将电核力与引力统一在一起，形成真正的“万物理论”，即能够解释整个宇宙的理论框架。

  但物理学家发现，要想将微观世界与宏观世界结合在一起相当困难。在较大尺度、尤其是天文尺度上，引力占主导作用，最好用爱因斯坦的广义相对论来解释。但在分子、原子或亚原子尺度上，自然界则最好由量子力学来解释。而到目前为止，还没有人能很好地将这两个迥异的世界设法结合在一起。

  研究“量子引力”的物理学家希望能用量子世界的概念来描述引力，从而推进两个世界的结合。而这种方法的关键在于找到引力子，即理论上存在的引力玻色子。引力是目前唯一一种不用玻色子便可描述的基本力，但由于其它几种基本力的解释都需要玻色子，科学家认为一定也存在亚原子级别的引力子，只是尚未找到而已。

  “暗物质”和“暗能量”的概念则使整个局面变得更加繁冗复杂。宇宙约95%都由它们构成。目前仍不清楚暗物质和暗能量究竟是由单个粒子构成、还是由一整套拥有自己的力和“信使”玻色子的粒子构成。

  目前科学家最感兴趣的信使粒子主要是理论中的“暗光子”，它可以调解可见宇宙与不可见宇宙之间的相互作用。假如暗光子真的存在，将成为我们探测暗物质的关键，并帮助科学家发现第五种基本力。不过目前为止，科学家尚未发现任何暗光子存在的迹象，甚至有研究提出了“暗光子并不存在”的强有力证据。