宇宙最基本的力有哪些

为了了解他们能够观察到的所有现象，物理学家们只需要引入四种他们认为是“基本的”力。它们是哪些呢？当然有万有引力，3个世纪多以前由牛顿发现；电磁相互作用，由麦克斯韦在19世纪下半叶发现，它体现在日常生活中一些物质的内聚力；弱相互作用，于1930年代发现，它控制着某些放射性过程，特别是β放射性；强相互作用——与弱相互作用几乎同时被发现——它们稳定地将原子核的不同组成部分连接在了一起。

让我们更仔细地来看看它们的特点。

首先是万有引力。正是它让我们能够坐下，让我们在跌倒时会疼痛。但是它也控制着很多其他的现象，从物体的掉落到行星的移动。万有引力同时也是原始气体得以形成恒星的根源，正是它使原始气体结合形成了恒星。也是它使得形成的恒星之间相互吸引，进而形成星系。

万有引力的这种相互作用是吸引作用，且作用范围趋向于无穷大，就是说两个有质量的物体之间只有当它们的距离是无限大的时候，它们之间存在的力才为零。没有任何屏障能够消除万有引力的影响，希望减小或消除万有引力的尝试都是徒劳无用的。

万有引力的强度比其他相互作用要弱得多，以至于我们甚至可以忽略它在粒子层面的影响，而在粒子层面有其他强得多的力在起作用。但是，为什么又会说万有引力在微观层面上对我们那么重要呢？这是因为万有引力总是存在吸引的作用，这种作用是可叠加的：投入的粒子数量越多，万有引力越强。的确，我们身体的一个质子与地球的一个质子之间的万有引力是极小的，但是，我们身体的质子非常多，而地球的质子更多，将两者结合在一起的无数小力量相互叠加，最终形成了一个总的大力量，具体来说等于我们的体重。

万有引力于是很好地表现了“团结就是力量”。

承载万有引力的粒子（它的“球”）叫作“引力子”。它的质量为零。至少，这是我们目前掌握的知识让我们对它进行的构想，因为事实上科学家们至今还没有发现引力子，即它是否真实存在仍然存疑。

电磁相互作用比万有引力强得多。它对我们的影响随处可见，正是因为电磁相互作用我们所有的家用电器才能运行，从吸尘器到咖啡机，再到电冰箱和电熨斗。但在更基础的层面，它主要保证了原子和分子的内聚力，控制所有的化学反应及光学现象（我们要记得，光就是由电磁波组成的，也是由光子构成的）。和万有引力一样，电磁相互作用的影响也是趋向于无穷的，但是，因为它时而具有吸引力，时而具有排斥力（根据电荷正负性而变化），在远距离时它的叠加效果因为物质整体呈中性而被抵消了。

电磁相互作用是通过和光子的交换进行的，所以光子是它的媒介，是它的“球”。光子的质量为零。这些光子被认为是“虚拟的”，并不是因为它们是人造的，而是因为当两个带电的粒子互换光子时，光子无法单独被探测到。

弱相互作用的作用距离很短，大约为10^-18米。还不如说和胶水一样，这是一种通过接触来实现的相互作用：只有在两个粒子几乎相互接触的情况下，它们才能通过弱相互作用相互影响。它同时也是β放射性的成因，这种作用使得一个中子衰变为一个质子和一个电子，同时共同放射一个反中微子。正如它的名字所示，弱相互作用的特征是强度非常微弱、非常难以观察到。但这并不能阻止它扮演一个重要角色，特别是在太阳中，它决定着氢原子核的聚变反应。如果它从宇宙中消失，那么我们的恒星就会停止闪耀……

有三种粒子是弱相互作用的媒介。我们称它们为“中间玻色子”，并将它们记作W⁺，W^-和Z⁰。因为弱相互作用的距离非常短，这些“球”的质量必须非常大。实际上，这个质量几乎达到质子质量的100倍。欧洲核子研究组织（简称CERN）于1984年证实了这三种中间玻色子的存在，这多亏了为此而制造的一台质子和反质子对撞机。

强相互作用是四种基本相互作用中强度最大的，但是在很长时间里我们都不知道它。物理学家们在1930年代了解到原子核的稳定性中隐藏了某种令人惊讶的事物，于是猜到了它的存在。因为原子核中的质子带有同种电荷，电荷的作用力（库仑力）是试图将它们分开的，所以它们会相互排斥。然而，它们似乎被很稳定地捆绑在一起。那么是什么克服了它们的电荷排斥力呢？没有任何经典力能够解释这一核内聚力。从这里，就产生了一个假设（随后被证实）：在原子核中存在着一种非常强的力，就是强相互作用，它的作用距离范围非常短，约10^-15米。

这一作用就如某种强力胶将两个核子（质子或中子，对它来说无所谓）一个贴一个地粘上，但是只要将两个核子分开一点点，强相互作用就会迅速减弱。这并不影响它成为如此强大且令人难以置信的存在。例如它能够在几个10^-15米的距离间，阻拦一个以每秒10万公里的速度投掷过来的质子……你可以想象那个制动力有多么强。

强相互作用的“球”是什么呢？它们叫“胶子”（gluon）。我们会在后文讲述“夸克”（quark）时介绍。

并不是所有的粒子都会承受强相互作用。对这种作用敏感的粒子，如质子或中子，叫作“强子”。不受它影响的粒子叫作“轻子”。我们掌握了超过350种不同的强子。它们都不稳定，唯一的例外也许是质子。这说明它们很快就会衰变为其他更轻的粒子。它们的寿命（直到它们的衰变开始之前的平均时间）可能非常短暂。某些易消逝的强子的寿命甚至只有10^-23秒，这使得它们成为了自然中我们所知道的最短暂的现象。一般来说，一个强子从来都没有时间停下来喘口气。