支配宇宙的四种“力量”：关于四大基本力，你知道多少？

尽管宇宙浩瀚得令人我们难以想象，但它的运行规律却是简洁而优美的，比如说已知宇宙中所有的相互作用，基实都可以归结为四种“力量”，它们控制着宇宙中不同范围和尺度上的相互作用，支配着整个宇宙的运行。

支配宇宙的四种“力量”被称为四大基本力，它们分别是引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力，那么关于这四大基本力，你知道多少呢？

引力

引力是一种我们非常熟悉的基本力，毕竟我们随时随地都在感受到地球引力的作用。

最早用数学公式描述引力的是牛顿，他认为有质量的物体都会产生引力，并且引力的作用距离无限远。但牛顿并没有解释引力是如何产生以及传递的，到了20世纪，爱因斯坦在他提出的《广义相对论》中，将引力解释为时空的弯曲，他认为有质量的物质都会使其周围的时空发生弯曲，而弯曲的时空则会反过影响物质的运动。

不过爱因斯坦并没有考虑引力在微观尺度上是如何表现出粒子性，也就是说引力并没有被量子化，尽管物理学家预测了有一种被称为“引力子”的基本粒子，但直到现在，“引力子”是否真的存在，仍然是一个未解之谜。

在四大基本力中，引力的强度是最弱的，有多弱呢？举个例子，假设你将一枚铁质的回形针放在地球表面，然后再用一块磁铁从上方去不断接近这枚回形针，那么不出意外的话，当距离近到了一定的程度，这枚回形针就会磁铁吸离地面，这就意味着，整个地球对回形针产生的引力，还比不过你手中的这块小小的磁铁所产生的电磁力。

尽管引力是如此之弱，但它却有一个特点，那就是它是长程力，并且只有吸引力，没有排斥力，这就使得引力可以无限叠加，变得非常巨大，所以在宇宙的宏观尺度上，引力是占据主导作用的基本力，它决定了宇宙中众多天体的形成以及运行。

电磁力

电磁力就是基本粒子在电荷、电流和磁场的相互作用下所产生的力，由于电磁力是一种有极性的力（即同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引），因此在电磁力的作用下，物质就可以形成不同的形态结构，例如原子就是由带正电的原子核和带负电的电子构成、分子则是通过不同的原子之间的电磁力结合在一起。

电力和磁力曾经被认为是两种不同但彼此相关的力，直到18世纪，科学家们才逐渐发现，电和磁很可能就是一回事，比如说变化的磁场能产生电流，而电流也能产生磁场，最终，麦克斯韦用数学方程式将电力和磁力完美地统一成电磁力。

到了20世纪，科学家们发现了电磁场的量子性，随后提出了一种被称为光子的基本粒子。简单来讲，光子可被视为是电磁场的量子化表现，物质之间的电磁力，其实就是通过光子传递的。

值得一提的是，在我们的日常生活中，电磁力可以说是无处不在，从本质上来讲，我们所常见的力如支撑力、拉力、推力、弹力、摩擦力……等等等等，其实都是电磁力的作用。

强相互作用力

这是一种只在微观尺度上起作用的基本力，它可以使夸克之间产生强大的吸引作用，进而形成像中子、质子这样的复合粒子，这种由强相互作用力形成的复合粒子被称为强子（hadron），除了形成强子之外，强相互作用力还有一个残余效应，这种效应使得质子和中子之间也会产生强大的吸引作用，进而形成原子核。

强相互作用力发现于20世纪中叶，科学家在利用粒子加速器将高能粒子撞击原子核的时候发现，在被“撞碎”的原子核的“碎片”之中，不但存在着质子和中子，还存在着一些其他类型的粒子，并且这些粒子的寿命通常都很短，它们很快就会发生衰变，于是科学家据此推测，这些粒子是由更小的基本粒子，后来这种基本粒子就被称为夸克（quark）。

总的来讲，夸克有六种不同的“味道”（flavor），分别叫做上（up）、下（down）、奇（strange）、粲（charm）、底（bottom）和顶（top），每种夸克还有三种不同的“颜色”（color），分别叫做红（red）、绿（green）和蓝（blue），夸克之间通过交换一种被称为胶子的基本粒子产生强相互作用力。

（注：夸克的“味道”和“颜色”只是为了方便区别它们，而不是真正描述了夸克的具体性质）

强相互作用力有一个特点，那就是在其作用范围内，它会随着距离的增大而迅速增强，也会随着距离的减小而迅速减弱，这被称为“渐进自由”。

这样的现象就会导致想要将两个夸克彼此分开，就必须输入很高的能量，而在能量大到足以将两个夸克彻底分离之前，输入的能量就足以激发出一对“新”的夸克，于是“旧”的夸克还没有分开，“新”的夸克就已经产生，在此之后，“旧夸克”和“新夸克”又会迅速地各自结合在一起，进而形成两对夸克。这就意味着，我们根本没有办法得到单个的夸克，这样的现象也被称为“夸克禁闭”。

所以夸克就只能以两个或三个为一组形成强子，其中两个夸克组成的强子被称为介子（meson），比如说π介子、K介子，而由三个夸克组成的强子被称为重子（baryon），比如说质子由一个下夸克和两个上夸克构成，中子由两个下夸克和一个上夸克构成，它们都是重子。

在宇宙中支配宇宙的四种“力量”之中，强相互作用力是最强的，它有一个非常重要的作用，那就是驱动恒星内部的核聚变反应，进而使恒星发光发热成为可能，可以说没有了这种基本力，我们的宇宙将没有那些闪亮的恒星。

弱相互作用力

这种基本力发现于20世纪初，当时的科学家观察到，一些具有放射性的元素会自发地发射出电子或正电子等粒子，并使得原子核发生变化，这种现象被称为“β衰变”，在此之后，科学家逐渐意识到，造成“β衰变”的是一种新的基本力，并将其称为弱相互作用力。

弱相互作用力也是只在微观尺度上起作用，它通过W+玻色子、W-玻色子和Z玻色子这三种基本粒子来产生，其所起的作用让夸克的“味道”发生改变，从而导致不同类型的粒子之间的发生转化。

例如弱相互作用力可以让中子内的一个下夸克转变成上夸克，同时释放出一个W-玻色子，而这个W-玻色子的寿命极为短暂，它很快就衰变成了一个电子和一个反电子中微子，这其实就是中子通过“负β衰变”转变成质子的过程，即：中子转变成质子，同时释放出一个电子和一个反电子中微子。

反过来讲，弱相互作用力也可以让质子内的一个上夸克转变成下夸克，进而使质子通过“正β衰变”转变成中子，同时释放出一个正电子和一个电子中微子。

值得注意的是，根据目前的主流理论“大爆炸宇宙论”，在宇宙诞生之初，正是弱相互作用力造成了物质和反物质之间产生了微小的不对称，才使得宇宙可以演化成现在我们所看到的样子。

除此之外，弱相互作用也使得氢原子核的聚变成为了可能，这是因为氢原子核其实就是质子，而质子发生核聚变的第一步，就是两个质子形成含有一个中子和一个质子的氘原子核，而这一步就必须要有弱相互作用力的参与。由此可见，弱相互作用力在宇宙中所起的作用还是相当大的。