93 世界上有几种力?
自然界有几种力?我们熟悉的有两种,一种是电磁力,另一种是引力。电磁力很好理解,电荷之间,同性相斥、异性相吸。磁场也可以作用洛伦兹力在运动的电荷上。电荷之间的库仑力以及磁场和电荷之间的洛伦兹力,都可以被统称为电磁力,电和磁其实是一回事,都被麦克斯韦方程组统一在同一理论框架内。
引力我们也很熟悉,任何两个有质量的物体之间都存在吸引力。电磁力和引力都是有宏观作用的力,在早年就已经被发现并研究了。在很长一段时间里,物理学家们认为世界上只有这两种力。先是麦克斯韦统一了电和磁,爱因斯坦在发明了广义相对论以后,试图把电磁力和引力再进行统一。但很明显,爱因斯坦的尝试是失败的,因为自然界的力远远不止电磁力和引力。
我们知道,原子核是非常小的,但是原子核里往往有多个质子和多个中子。中子不带电,质子带一个正电荷。那就有了一个大问题,就是质子与质子之间应当同性相斥,且它们在原子核内的距离非常近,相互排斥的力应该大得惊人。但为何原子核的结构没有分崩离析呢?是什么力把质子束缚在一起的呢?答案是强相互作用力。
早在20世纪30年代,日本物理学家汤川秀树就提出,质子若要克服正电荷之间的排斥力而被绑在原子核里,则必存在另外一个比电磁力强得多的力,这个力便是强相互作用力,简称强力。汤川秀树同时提出,原子核当中应当存在一种粒子作为传递强力的媒介,这种粒子被他命名为介子。在20世纪40年代,介子被证实了。强力的强度大约是电磁力的137倍。介子的质量大约是质子和中子的六分之一。
强力虽强,它的力程却很短,就好比一个拳击手的拳头非常有力,但是手臂的范围是有限的,不能攻击到太远的目标。强力的作用距离大约只在原子核大小的范围内。因此,强力并无任何宏观作用,它只在原子核的范围内展现出显著的作用。
除了强力外,还有一种力,叫弱相互作用力,简称弱力。弱力是在研究β衰变的过程中发现的。中子容易发生β衰变,转化成质子并放出一个电子以及一个反中微子。主导这个衰变发生的力便是弱力。弱力非常弱,它比电磁力要弱很多,大约只是强力的1亿亿亿分之一。并且弱力的作用范围比强力更小,弱力几乎只在单个质子或中子内部有效。同样地,弱力也无宏观作用。
这样看来,能够有宏观作用的力只有电磁力和引力。那如果我推你一下,这个力是什么力呢?它实际是电磁力。用排除法就知道,我推你一下不可能是万有引力,因为引力太弱了,人体的质量不会产生显著的引力效果。那就只剩下电磁力了,在我的手跟你接触的时候,我手上的分子和你身上的分子,在微观层面上其实是发生电磁相互作用。
到目前为止,我们只发现了强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。自然界是否只存在这四种相互作用力?未必,例如对于暗物质的最新研究表示,如果暗物质存在的话,它有可能参与第五种相互作用。也就是说,这四种相互作用是我们已经发现的,但并不能保证没有更多种类的相互作用存在。