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基本自然力
鎖定
基本自然力分類
第一種力是引力，這種力是萬有引力，也就是説，每一粒子都因它的質量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致於若不是它具有兩個特別的性質，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會作用到非常大的距離去，並且總是吸引的。這表明，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，所有的粒子之間的非常弱的引力能迭加起來而產生相當大的力量。另外三種力或者由於是短程的，或者時而吸引時而排斥，所以它們傾向於互相抵消。以量子力學的方法來研究引力場，人們把兩個物質粒子之間的引力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子所攜帶。它自身沒有質量，所以所攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以歸結為構成這兩個物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們確實產生了可測量的效應——它們使地球繞着太陽公轉！實引力構成了經典物理學家稱之為引力波的東西，它是如此之弱——並且要探測到它是如此之困難，以致於還從來未被觀測到過。
第二種力是電磁力。它作用於帶電荷的粒子（例如電子和夸克）之間，但不和不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力強得多：兩個電子之間的電磁力比引力大約大100億億億億億（在1後面有42個0）倍。然而，共有兩種電荷——正電荷和負電荷。同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸引。一個大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負電荷。由於單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個物體之間純粹的電磁力非常小。然而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負電的電子和帶正電的核中的質子之間的電磁力使得電子繞着原子的核作公轉，正如同引力使得地球繞着太陽旋轉一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由於稱作光子的無質量的自旋為1的粒子的交換所引起的。而且，這兒所交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個允許軌道改變到另一個離核更近的允許軌道時，以發射出實光子的形式釋放能量——如果其波長剛好，則為肉眼可以觀察到的可見光，或可用諸如照相底版的光子探測器來觀察。同樣，如果一個光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌道移動到較遠的軌道。這樣光子的能量被消耗殆盡，也就是被吸收了。
第三種力稱為弱相互作用力。它制約着放射性現象，並只作用於自旋為1/2的物質粒子，而對諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。直到1967年倫敦帝國學院的阿伯達斯·薩拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格提出了弱相互作用和電磁作用的統一理論後，弱作用才被很好地理解。此舉在物理學界所引起的震動，可與100年前馬克斯韋統一了電學和磁學並駕齊驅。温伯格——薩拉姆理論認為，除了光子，還存在其他3個自旋為1的被統稱作重矢量玻色子的粒子，它們攜帶弱相互作用力。它們叫W+（W正）、W－（W負）和Z0（Z零），每一個具有大約100吉電子伏的質量（1吉電子伏為10億電子伏）。上述理論展現了稱作自發對稱破缺的性質。它表明在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實上只是同一類型粒子的不同狀態。在高能量下所有這些粒子都有相似的行為。這個效應和輪賭盤上的輪賭球的行為相類似。在高能量下（當這輪子轉得很快時），這球的行為基本上只有一個方式——即不斷地滾動着；但是當輪子慢下來時，球的能量就減少了，最終球就陷到輪子上的37個槽中的一個裏面去。換言之，在低能下球可以存在於37個不同的狀態。如果由於某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會認為存在37種不同類型的球！
在温伯格——薩拉姆理論中，當能量遠遠超過100吉電子伏時，這三種新粒子和光子的行為方式很相似。但是，大部份正常情況下能量要比這低，粒子之間的對稱就被破壞了。W+、W－和Z0得到了大的質量，使之攜帶的力變成非常短程。薩拉姆和温伯格提出此理論時，很少人相信他們，因為還無法將粒子加速到足以達到產生實的W+、W－和Z0粒子所需的一百吉電子伏的能量。但在此後的十幾年裏，在低能量下這個理論的其他預言和實驗符合得這樣好，以至於他們和也在哈佛的謝爾登·格拉肖一起被授予1979年的物理諾貝爾獎。格拉肖提出過一個類似的統一電磁和弱作用的理論。由於1983年在CERN（歐洲核子研究中心）發現了具有被正確預言的質量和其他性質的光子的三個帶質量的伴侶，使得諾貝爾委員會避免了犯錯誤的難堪。領導幾百名物理學家作出此發現的卡拉·魯比亞和發展了被使用的反物質儲藏系統的cERN工程師西蒙·範德·米爾分享了1984年的諾貝爾獎。（除非你已經是巔峯人物，當今要在實驗物理學上留下痕跡極其困難！）
第四種力是強相互作用力。它將質子和中子中的夸克束縛在一起，並將原子中的質子和中子束縛在一起。一般認為，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強相互作用力。它只能與自身以及與夸克相互作用。強相互作用力具有一種稱為禁閉的古怪性質：它總是把粒子束縛成不帶顏色的結合體。由於夸克有顏色（紅、綠或藍），人們不能得到單獨的夸克。反之，一個紅夸克必須用一串膠子和一個綠夸克以及一個藍夸克聯結在一起（紅+綠+藍=白）。這樣的三胞胎構成了質子或中子。其他的可能性是由一個夸克和一個反夸克組成的對（紅+反紅，或綠+反綠，或藍+反藍=白）。這樣的結合構成稱為介子的粒子。介子是不穩定的，因為夸克和反夸克會互相湮滅而產生電子和其他粒子。類似地，由於膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單獨的膠子。相反地，人們所能得到的膠子的團，其迭加起來的顏色必須是白的。這樣的團形成了稱為膠球的不穩定粒子。
色禁閉使得人們觀察不到一個孤立的夸克或膠子，這事實使得將夸克和膠子當作粒子的整個見解看起來有點玄學的味道。然而，強核力還有一個叫做漸近自由的性質，它使得夸克和膠子成為定義得很好的概念。在正常能量下，強核力確實很強，它將夸克很緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實驗指出，在高能下強作用力變得弱得多，夸克和膠子的行為就像自由粒子那樣,一個質子和一個反質子在高能下碰撞，產生了一對幾乎自由的夸克。
基本自然力理論關係
大部分物理學家希望最終找到一個統一理論，該理論將四種力解釋為一個單獨的力的不同方面。確實，許多人認為這是當代物理學的首要目標。最近，將四種力中的三種統一起來已經有了成功的端倪。
對電磁力和弱相互作用力統一的成功，使許多人試圖將這兩種力和強相互作用力合併在所謂的大統一理論（或GUT）之中。這名字相當誇張，所得到的理論並不那麼輝煌，也沒能將全部力都統一進去，因為它並不包含引力。它們也不是真正完整的理論，因為它們包含了許多不能從這理論中預言而必須人為選擇去適合實驗的參數。儘管如此，它們可能是朝着完全的統一理論推進的一步。GUT的基本思想是這樣：正如前面提到的，在高能量時強核力變弱了；另一方面，不具有漸近自由性質的電磁力和弱相互作用力在高能量下變強了。在非常高的叫做大統一能量的能量下，這三種力都有同樣的強度，所以可看成一個單獨的力的不同方面。在這能量下，GUT還預言了自旋為1/2的不同物質粒子（如夸克和電子）也會基本上變成一樣，這樣導致了另一種統一。
大統一能量的數值還知道得不太清楚，可能至少有1千萬億吉電子伏特。而粒子加速器只能使大致能量為100吉電子伏的粒子相碰撞，計劃建造的機器的能量為幾千吉電子伏。要建造足以將粒子加速到大統一能量的機器，其體積必須和太陽系一樣大——這在現代經濟環境下不太可能做到。因此，不可能在實驗室裏直接證實大統一理論。然而，如同在弱電統一理論中那樣，我們可以檢測它在低能量下的推論。
其中最有趣的是預言是，構成通常物質的大部分質量的質子能自發衰變成諸如反電子之類更輕的粒子。其原因在於，在大統一能量下，夸克和反電子之間沒有本質的不同。正常情況下一個質子中的三個夸克沒有足夠能量轉變成反電子，由於測不準原理意味着質子中夸克的能量不可能嚴格不變，所以，其中一個夸克能非常偶然地獲得足夠能量進行這種轉變，這樣質子就要衰變。夸克要得到足夠能量的概率是如此之低，以至於至少要等100萬億億億年（1後面跟30個0）才能有一次。這比宇宙從大爆炸以來的年齡（大約100億年——1後面跟10個0）要長得多了。因此，人們會認為不可能在實驗上檢測到質子自發衰變的可能性。但是，我們可以觀察包含極大數量質子的大量物質，以增加檢測衰變的機會。（譬如，如果觀察的對象含有1後面跟31個0個質子，按照最簡單的GUT，可以預料在一年內應能看到多於一次的質子衰變。）
人們進行了一系列的實驗，可惜沒有一個得到質子或中子衰變的確實證據。有一個實驗是用了8千噸水在俄亥俄的莫爾頓鹽礦裏進行的（為了避免其他因宇宙射線引起的會和質子衰變相混淆的事件發生）。由於在實驗中沒有觀測到自發的質子衰變，因此可以估算出，可能的質子壽命至少應為1千萬億億億年（1後面跟31個0）。這比簡單的大統一理論所預言的壽命更長。然而，一些更精緻更復雜的大統一理論預言的壽命比這更長，因此需要用更靈敏的手段對甚至更大量的物質進行檢驗。
儘管觀測質子的自發衰變非常困難，但很可能正由於這相反的過程，即質子或更簡單地説夸克的產生導致了我們的存在。它們是從宇宙開初的可以想像的最自然的方式——夸克並不比反夸克更多的狀態下產生的。地球上的物質主要是由質子和中子，從而由夸克所構成。除了由少數物理學家在大型粒子加速器中產生的之外，不存在由反夸克構成的反質子和反中子。從宇宙線中得到的證據表明，我們星系中的所有物質也是這樣：除了少量當粒子和反粒子對進行高能碰撞時產生出來的以外，沒有發現反質子和反中子。如果在我們星系中有很大區域的反物質，則可以預料，在正反物質的邊界會觀測到大量的輻射，該處許多粒子和它們的反粒子相碰撞、互相湮滅並釋放出高能輻射。
我們沒有直接的證據表明其他星系中的物質是由質子、中子還是由反質子、反中子構成，但二者只居其一，否則我們又會觀察到大量由涅滅產生的輻射。因此，我們相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克構成；看來，一些星系為物質而另一些星系為反物質也是不太可能的。
為什麼夸克比反夸克多這麼多？為何它們的數目不相等？這數目有所不同肯定使我們交了好運，否則，早期宇宙中它們勢必已經相互湮滅了，只餘下一個充滿輻射而幾乎沒有物質的宇宙。因此，後來也就不會有人類生命賴以發展的星系、恆星和行星。慶幸的是，大統一理論可以提供一個解釋，儘管甚至剛開始時兩者數量相等，為何宇宙中夸克比反夸克多。正如我們已經看到的，大統一理論允許夸克變成高能下的反電子。它們也允許相反的過程，反夸克變成電子，電子和反電子變成反夸克和夸克。早期宇宙有一時期是如此之熱，使得粒子能量高到足以使這些轉變發生。但是，為何導致夸克比反夸克多呢？原因在於，對於粒子和反粒子物理定律不是完全相同的。
直到1956年人們都相信，物理定律分別服從三個叫做C、P和T的對稱。C（電荷）對稱的意義是，對於粒子和反粒子定律是相同的；P（宇稱）對稱是指，對於任何情景和它的鏡像（右手方向自旋的粒子的鏡像變成了左手方向自旋的粒子）定律不變；T（時間）對稱是指，如果我們顛倒粒子和反粒子的運動方向，系統應回到原先的那樣；換言之，對於前進或後退的時間方向定律是一樣的。
1956年，兩位美國物理學家李政道和楊振寧提出弱作用實際上不服從P對稱。換言之，弱力使得宇宙的鏡像以不同的方式發展。同一年，他們的一位同事吳健雄證明了他們的預言是正確的。她將放射性元素的核在磁場中排列，使它們的自旋方向一致，然後演示表明，電子在一個方向比另一方向發射出得更多。次年，李和楊為此獲得諾貝爾獎。人們還發現弱作用不服從C對稱，即是説，它使得由反粒子構成的宇宙的行為和我們的宇宙不同。儘管如此，看來弱力確實服從CP聯合對稱。也就是説，如果每個粒子都用其反粒子來取代，則由此構成的宇宙的鏡像和原來的宇宙以同樣的方式發展！但在1964年，還是兩個美國人——J·W·克羅寧和瓦爾·費茲——發現，在稱為K介子的衰變中，甚至連CP對稱也不服從。1980年，克羅寧和費茲為此而獲得諾貝爾獎。（很多獎是因為顯示宇宙不像我們所想像的那麼簡單而被授予的！）
有一個數學定理説，任何服從量子力學和相對論的理論必須服從CPT聯合對稱。換言之，如果同時用反粒子來置換粒子，取鏡像和時間反演，則宇宙的行為必須是一樣的。克羅寧和費茲指出，如果僅僅用反粒子來取代粒子，並且採用鏡像，但不反演時間方向，則宇宙的行為於保持不變。所以，物理學定律在時間方向顛倒的情況下必須改變——它們不服從T對稱。
早期宇宙肯定是不服從T對稱的：當時間往前走時，宇宙膨脹；如果它往後退，則宇宙收縮。而且，由於存在着不服從T對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對於將電子變成反夸克，這些力更容易將反電子變成夸克。然後，當宇宙膨脹並冷卻下來，反夸克就和夸克湮滅，但由於已有的夸克比反夸克多，少量過剩的夸克就留下來。正是它們構成我們今天看到的物質，由這些物質構成了我們自己。這樣，我們自身之存在可認為是大統一理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預言的不確定性到了這種程度，以至於我們不能知道在湮滅之後餘下的夸克數目，甚至不知是夸克還是反夸克餘下。（然而，如果是反夸克多餘留下，我們可以簡單地稱反夸克為夸克，夸克為反夸克。）
