大自然的基本力系列（一）——四種基本相互作用簡介

編輯&審校&配圖：楊夕歌

前言：

筆者與小編合作推出第一篇文章(《暗物質暗能量之謎——宇宙大尺度的廣義相對論！》)之後，我們收到了眾多小夥伴們的意見反饋，小夥伴們期待看到更多精彩的科普文章。筆者和小編於是決定為讀者奉獻更為誘人的學術大餐，我們計劃以「大自然的基本力」為主題推出一系列精彩的科普文章，(精彩預告：這個系列的文章將涉及現代物理學的眾多熱點領域，包括廣義相對論與引力場，規範場與對稱性，規範場自發對稱破缺的希格斯機制，強,弱相互作用勢與夸克禁閉，漸進自由，四種基本相互作用的耦合場方程，精彩不容錯過！！)本文是這個系列的第一篇文章，敬請關注公眾號「科普最前線」並參與我們的學術討論（當然也歡迎非學術的吐槽——小編注）！

「相互作用」是什麼意思呢？筆者認為，不必糾結於物理的一些專業術語，相互作用這個概念咱們中學就早已學過啦。我們所熟悉的萬有引力就是一種相互作用，它是兩個具有質量的物體彼此之間產生的相互吸引的作用(讓蘋果砸到了牛頓的頭上)，所有它被叫作「引力相互作用」，我們熟悉的還有電磁力，即兩個帶同種電荷的物理彼此相互排斥，帶異種電荷的物體彼此相互吸引（同性相斥，異性相吸），這種相互作用被叫做「電磁相互作用」，我們不熟悉的相互作用還有「強相互作用」和「弱相互作用」，筆者會在本文中具體介紹。「引力相互作用，電磁相互作用，強相互作用，弱相互作用」這四種相互作用被稱作「基本相互作用」。

四種相互作用簡圖——by小編

基本相互作用對於我們的大自然來說，具有「基本的重要性」，自從牛頓老爵爺發現了引力相互作用以後，基本相互作用就一直是物理學研究的核心課題。麥克斯韋的電磁理論，愛因斯坦的廣義相對論，楊振寧-米爾斯的規範場理論（德國數學家外爾Weyl是第一個提出規範場思想的人），GWS標準模型，希格斯機制，還有最近特火的「引力波」等等，這些都是關於基本相互作用的理論（後面的文章會對這些概念一一進行講解——小編注）。為什麼基本相互作用如此的重要呢？因為這些基本相互作用是上帝構建我們這個宇宙的「基本方法」，它們決定了宇宙中幾乎所有物質的運動規律，大到銀河系太陽系地球月球，小到電子原子核質子中子夸克，宇宙能夠在不同的尺度和層次穩定地運轉著，全都仰賴這些基本相互作用。

讀者可以設想，我們的宇宙是一個巨大的建築，建築由不同的材料構成：磚頭，石板，水泥板，鋼筋混泥土...，那麼如何把這些材料組建在一起建立一座大廈呢？建築工人會使用一系列「基本方法」把不同的材料粘合在一起，用磚頭建成牆面，用牆面建成房間，用房間建成樓層，樓層組成大樓，每一層的組裝都需要用不同的「基本方法」,這些「基本方法」對於我們宇宙而言就是我們要討論的不同的「基本相互作用」，它們在不同層次上主導物質來構建我們的宇宙。

這四種相互作用在不同的尺度上各司其職，在各自的舞台上決定著萬物運行的規律——小編注

宇宙中的所有物質都是由不同層次的微觀組織構成的，例如生命個體有蛋白質大分子構成，分子則由原子構成，原子的內部有原子核和繞核電子（粒子物理學將電子歸類為「輕子」，是一類微觀粒子的總稱），原子核內部則由質子和中子（粒子物理學將質子，中子歸類為「強子」）構成，質子，中子內部則由夸克構成。除此之外，還有大量的微觀粒子遊離於這些粒子之間，如中微子，膠子，π介子等等。

不同層次的物理世界由不同的物理規律來支配，大自然中這四種基本相互作用就是不同層次的物理世界的基本規律。它們在物質結構中所佔的支配層面依次是：

下面我們來仔細看看這四種基本相互作用是如何主宰這個宇宙的。

引力相互作用——從牛頓到愛因斯坦

引力相互作用是人類最早發現的基本相互作用。在三百年前牛頓建立了最初的引力理論，此後人們一直稱之為「萬有引力」。二十世紀初，愛因斯坦在發展相對論理論時，用「等效原理」將非慣性力與引力場「等效」(就是將它們視為一種力)，從而為引力相互作用建立了廣義相對論。

在宇宙層次上引力相互作用發揮著重要的作用，它是刻畫星體運動的基本規律，包括太陽地球月亮的運動，星系的穩定性，紅巨星大爆炸，引力波，暗物質暗能量現象（文獻[2]）等等。我們知道，只要有質量就有引力相互作用，但是相對於宇宙大星體物質（例如太陽），地球上物體的質量都比較小，所以引力相互作用在地球上就比較微弱了，但是在宇宙天體這樣的質量量級上引力相互作用就是主導性的相互作用。因此：

「引力相互作用刻畫了在宇宙尺度上星球，星系的運動規律。」

刻畫引力相互作用的物理理論是愛因斯坦的廣義相對論，廣義相對論的基本思想筆者在之前的文章中已有討論[2][4]（《暗物質暗能量之謎——宇宙大尺度的廣義相對論！》）,它最關鍵的思想就是將引力相互作用視為宇宙空間彎曲的幾何效應。在廣義相對論中，宇宙的時空結構是一個四維（時間1維+空間3維）的彎曲的黎曼流形（讀者可以想像宇宙是一個彎曲的曲面，且這個曲面是4維的），在數學中使用黎曼度量來 刻畫這個空間的彎曲，廣義相對論告訴我們，這個量就是宇宙中的引力相互作用的作用勢，被稱作「引力場」，它包含了宇宙中引力相互作用的全部信息，也就是說：

「宇宙時空的彎曲 =引力場」

同時，廣義相對論向我們提供了計算的方程，即愛因斯坦的場方程：

該方程在計算球對稱物質源引力場時得到的引力計算公式與牛頓萬有引力公式相同：

廣義相對論得到了眾多的物理實驗支持，是刻畫引力相互作用的基本理論。筆者在之前的文章[4] 中介紹了四川大學馬天教授與美國印第安納大學汪守宏教授所建立的暗物質暗能量的統一理論，是對愛因斯坦廣義相對論的在宇宙大尺度結構上的自然修正（由此發現暗物質暗能量現象是宇宙在大尺度下的引力效應導致的），並不違反廣義相對論的物理思想和已有的物理結論。可查閱[4][5].

電磁相互作用——從麥克斯韋到規範場

電磁相互作用是帶電物體之間的基本相互作用，簡單地講就是「同性相斥，異性相吸」。電磁相互作用導致帶電粒子的運動，帶電粒子的運動形成電流並在空間形成感應磁場，磁場反過來也能激發空間的電場，影響帶電粒子的運動，它們也是「相互作用」的。電磁相互作用主導了帶電大分子之間的運動規律，例如蛋白質分子等生物大分子的運動，材料科學中共價電子的運動，凝聚態物理中帶電粒子之間的相互作用等等。

電磁相互作用發揮主導作用的距離層次是10^(-8)至10^(-6)厘米, 這個距離就是分子和原子的尺度。簡單地說：

「電磁相互作用刻畫了帶電粒子，分子，和原子的運動規律。」（我們日常生活中所熟悉的除引力之外的所有力，本質上都是電磁力——小編注）

刻畫電磁場變化規律的是大名鼎鼎的麥克斯韋方程組：

儘管數學形式比較抽象，但方程的物理意義是非常簡單而明確的——小編注

我們中學階段所熟悉的摩擦力、彈力和分子間作用力，本質上都是電磁力，可以用麥克斯韋方程組來描述——小編注

電磁相互作用的發展歷經了一個漫長的過程。在麥克斯韋之前，人們認為電和磁現象是相互獨立的。在庫侖，高斯，安培，法拉第等先輩的推動下，電磁理論逐漸完善，隨後麥克斯韋整合了這些理論，建立了上面的麥克斯韋方程組，成為十九世紀物理學的一大輝煌。

值得一提的是，麥克斯韋方程組首次啟發了外爾（Hermann Weyl，德國數學和物理學家——小編注）建立規範場（Gauge Theory）的思想與理論。在規範場的框架下，電場和磁場可以統一用一個稱之為電磁勢的四維向量場表示（一維電勢，三維磁勢[6]）。規範場在現代理論物理學中具有很重要的地位，這會在以後的文章中再次提及。

強相互作用

相比於電磁相互作用，強相互作用是在更加細微的層次上發揮作用。強相互作用的研究發端於原子核物理，早期的研究就包括湯川秀樹的介子理論。從二十世紀下半葉開始，以楊振寧-米爾斯規範場理論為基礎發展了量子色動力學(QCD)來研究強相互作用，並成為了「標準模型」的一部分。

量子色動力學中的「色」和「電荷」頗為相似，不同之處在於，電荷只有正負兩種，「色」卻有三種，因此人們用紅綠藍三色來描述「色荷」——小編提前透露

我們知道原子核是由質子和中子組成的，那麼是什麼力量將質子和中子（稱為核子）束縛在一起組成原子核呢？就是這裡介紹的強相互作用，同時強相互作用將夸克束縛組成強子(包括質子，中子等微觀粒子)。強相互作用的力程（即粒子之間發生強相互作用的距離）非常小，只有 10^(-13)厘米，超過這個距離強相互作用就會迅速衰減，也就是說我們在日常的生活中是覺察不到強相互作用的，它只在微觀的原子核的尺度上發揮作用。因此：

「強相互作用刻畫了在微觀尺度上原子核，強子(包括質子，中子等微觀粒子)的運動規律。」

筆者計劃在後續的文章中專門討論規範對稱性及強相互作用，將使用通俗易懂的語言讓讀者了解這些現代的物理理論，敬請期待。

弱相互作用

事實上弱相互作用其實並不「弱」，就作用力的強度而言它比引力和電磁力都要強，它被稱作「弱作用」是因為相比較「強作用」而言它是比較弱的。弱作用發生在及其微觀的尺度上：它是夸克，輕子（電子，中微子等微觀粒子）之間的相互作用，弱相互作用的力程是10^(-16)厘米, 當兩個粒子之間的距離超過某個臨界值時弱相互作用就會迅速衰減，所以我們在生活中是感覺不到弱相互作用的，它卻能在於極其微觀的世界中( 在輕子和夸克尺度內, 即r

「弱相互作用刻畫了輕子，夸克等微觀粒子的運動規律。」

自上世紀上半葉，大量的物理實驗測得微觀粒子之間的具有碰撞，衰變等粒子作用（例如β衰變），這些粒子反應被測試出不是強相互作用和電磁相互作用所為，更不可能是引力相互作用（微觀粒子質量極小），由此物理學家間接地發現了弱相互作用，這種相互作用導致了這一些列微觀粒子之間的反應和衰變。β衰變是最著名的一種粒子衰變，它暗示我們在電子，中微子，夸克這一層微觀世界中還有更微觀的相互作用，就是弱相互作用。β衰變如下所示（筆者註：1956 年李政道和楊振寧提出弱相互作用過程宇稱不守恆，第二年吳健雄等人利用極化核60Co 的β衰變實驗首次證實了宇稱不守恆, 李政道和楊振寧因此獲得諾貝爾物理學獎）。

所謂的β衰變簡單地說，就是一個中子會自發消失，然後「變成」一個質子，一個電子和一個中微子，筆者初學β衰變只時覺得這個反應頗為神奇，中子裡面並不包含質子電子中微子這樣的內部結構，所以不可能是粒子的自我解體，那麼，一個中子為什麼會自發突變，變成這三種粒子呢？待筆者對弱相互作用有了一定深度的了解之後，才知道這不過是弱相互作用導致的粒子之間的變化(書[1][3])，才驚嘆於大自然的美與和諧，源自於宇宙在不同層次上精妙的相互作用。

一圖看懂β衰變——by小編

關於弱相互作用的物理理論是標準模型的Glashow-Weinberg-Salam弱電理論，簡稱GWS 模型（1979年溫伯格、薩拉姆和格拉肖三位理論物理學家因建立這一物理模型，共享了諾貝爾物理獎）。

GWS模型結合微擾理論建立了量子場論的方法是二十世紀物理學的輝煌成就，被稱作物理學「標準模型」，它是計算基本粒子衰變，散射概率的有力工具，著名的自發對稱破缺（這個概念事實上非常廣泛，小編會在自己的文章中大量介紹這一概念——小編注）和希格斯機制也是弱相互作用理論的一部分。筆者將在後續的文章中帶領讀者更加清晰地認識弱相互作用，並分享對自然之美的享受。

下期預告

本文帶領讀者們大致認識了四種基本相互作用。在下一篇文章中，我們會進一步深入了解四種相互作用的基本理論，包括規範場的概念，相互作用勢，相互作用荷，媒介子理論，標準模型的簡單介紹，等等。並啟發讀者做進一步地思考。

參考文獻：

[1]Tian Ma, Shouhong Wang: Mathematical Principles of Theoretical Physics, Science Press, August 2015, 524pp.免費下載地址：http://www.indiana.edu/~fluid/MPTP.pdf.

[2]馬天：《從數學觀點看物理世界--幾何分析，引力場與相對論》，科學出版社，2012.

[3]馬天：《從數學觀點看物理世界--基本粒子與統一場理論》，科學出版社，2014.

[4]"暗物質暗能量之謎——宇宙大尺度的廣義相對論！", 科普最前線。

[5]Tian Ma, Shouhong Wang: Gravitational field equations and theory of dark matter and dark energy. Discrete. Contin. Dyn. Syst., Ser. A 34(2), 335–366 (2014). See also arXiv:1206.5078.

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_four-potential.

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