從微觀到宏觀,四大基本力是怎樣左右我們的世界?力是靠什麼傳遞

宇宙中存在物質,比如電子;也存在反物質,比如正電子;而且還有一種東西既非物質也非反物質。這種超越了物的東西,最熟悉的例子莫過於電磁輻射了。所有的電磁輻射,從γ射線、X射線、紫外線到可見光、紅外線、無線電波,都含有不同能量的光子。物質和反物質可以相互中和抵消,它們湮滅時會留下光子這種非物的東西;如果環境合適,這個過程也可以反過來,光子會變成一對物質和反物質。

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現在知道的非物粒子已經超過了100種,而光子只是其中一種。這些非物粒子被稱為“玻色子”,用於紀念印度物理學家玻色(Satyendranath Bose)。與之相對應,實物粒子是物質或反物質的基本部分,被稱為“費米子”,用於紀念意大利人費米(EnricoFermi)。費米子和玻色子遵循著不同的物理準則。

在1928年,人類已知的質量粒子僅有電子和質子,它倆恰好都是費米子;而當時唯一知道的其他粒子是光子,而光子是玻色子,不具有質量。在狄拉克方程掀起科學革命20年之後,人們才在宇宙射線中發現了一種有質量的玻色子—“介子”

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自然之力將基本粒子禁錮成一首永不停息的曼妙舞曲,從而形成了我們今天的宇宙;其中,引力、電力和磁力(電磁力)最為我們熟知。這些力可以遠距離發生作用,這種距離如果與原子尺度相比可以說是無窮大的。太陽引力將周圍的行星禁錮於軌道上。地核中的旋轉電流也會產生地磁場以偏轉指南針,我們通過無線電波與衛星通信,而無線電波是一種電磁波,是相同的普遍作用力的另一種表現而已。磁鐵會吸起金屬,指南針會指向北極,那是什麼在充當它們之間的交流媒介呢?

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我們可以稱它“電磁場”,但是這並不是真正的解釋;我們只是發明了一個標籤,標明一種遠距離上作用的奇怪現象。在狄拉克的成果中,有一項就是發現電磁場本身服從量子理論。光子是電磁場的類粒子束團,當它們在帶電粒子間飛行時會傳輸電磁力。倫敦某處發射天線上的一個電子前後振盪,會導致家裡收音機內產生類似的響應,而中間的信使就是電磁波—無線電波也是光子的一種活動形式。此處的運動引起了彼處的運動,光子在其間穿行,這些力無處不在。

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現代“量子場論”認為,不僅是電磁力,所有的力都是由玻色子傳遞的。光子傳遞了電磁力,類似地,“引力子”被認為傳遞了引力。雖然還沒能探測到引力子,但是幾乎沒人疑它的存在並且必將被人類發現。還有其他兩種力,也是由玻色子傳遞的。這些力比較罕見,因為它們主要在原子核內部及其周圍作用,只有足夠靈敏的儀器才能在如此小的尺度下發現它們。它們被稱為強力和弱力,這個命名直觀地概括出它們相對於普通電磁力的強度。

強力將更底層的夸克構建成質子和中子,然後進一步黏結成原子核。弱力在元素的構成中起到了關鍵作用,沒有弱力就沒有地球和人類。弱力在原子核中慢慢侵蝕,最終將其中的組分排列成更穩定的序列。

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在太陽中質子作為燃料,弱力漸漸地將4個質子轉化成一個緻密簇團氦核,包含兩個質子和兩個中子。這個過程中,弱力將兩個質子變形為兩個中子,通過正電子將正電荷帶走。在過去的50億年中,一半的太陽燃料:質子,都是通過這種方式轉化的。從太陽這個大熔爐的漫長歲月中,我們可以看到這種力到底有多弱,同時也應該感恩:太陽持續存在,使得智慧生物得以出現,如果太陽燃燒得太快,那麼地球上的生物就根本沒有足夠的時間來進化發展了。

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從人類第一次認識到強力和弱力開始,半個多世紀以來,科學家們一直對此著迷。今天我們知道了它們的工作機制,它們都是由玻色子傳遞。“膠子”將夸克黏結成質子和中子,接著介子幫忙將後兩者捏合成原子核。比如,太陽內部一個質子轉化成一箇中子,弱力將電荷從質子中剝離並傳遞給正電子。那麼正電子從何而來呢?它是由弱力的載體稱為W+(上標)所攜帶的能量產生的。這裡的上標表示W帶有正電荷。W也可以帶負電,比如中子衰變時。此時中子的電中性變成一個正電荷(質子)和一個負電荷(W),而W的負電荷接著會傳遞給電子。

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所有這些傳遞力的媒介都是非物的,既不是物質也不是反物質;它們都是“玻色子”。它們作用於物質或反物質粒子上,同時也可以將自身轉化成物的這兩種對稱的不同形態,而這兩種形態都是“費米子”。所以,自然似乎提供了兩種粒子:一是力的載體—玻色子,二是物的基本構成—費米子。玻色子可以來去自由,而費米子最終只能衰變成最穩定的形態,即電子以及質子、中子的排列。

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在約140億年前,物質和反物質在宇宙中戰鬥,最終物質獲勝。費米子產生了結構,它們具有穩定性併產生出了生命。我們體內的原子已經存在了數十億年,只是現在才形成了一個聯合體,這個聯合體就是我們自己。我們吸進氧氣,呼出二氧化碳,生長和死亡,但是我們的原子會繼續存在。原子這些基本的組分會不停地組成各種形態,一直延續到遙遠的未來——前提是它們沒有遇到反物質。

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