力——自然界的四种基本相互作用

■ 邢志忠 / 文

引言：《科学世界》2016年第7期的主打文章仍旧来自大名鼎鼎的村山齐，这次他谈的是自然界的四种基本相互作用力。于是我老人家依旧为这篇大作写了卷首语。这些年我看着与我年纪相仿的村山教授英语越说越棒、口才越来越好、跻身世界级科学家的行列，对他还是非常钦佩的。科学界需要各种英才，能够把最深奥的东西用最显浅的语言讲明白的人，都算大师级的。

 

卷首语：力——自然界的四种基本相互作用

 

为什么月亮得以围绕地球作周期性的运动？为什么携带相反电荷的物体彼此吸引？为什么太阳会发光发热？为什么不带电的中子与带正电荷的质子可以结合在一起形成稳定的原子核？科学家发现，诸如此类的自然现象之所以发生，原因在于其背后隐藏着四种基本的相互作用，它们分别是引力、电磁力、弱核力和强核力。《科学世界》本期推出了主打文章“村山齐博士阐述四种基本力”，旨在探讨支配宇宙万物如何运作的这四种力的典型特性及其相关的未解之谜。

在物理学的早期发展过程中，人们曾以为物质之间的相互作用是直接和瞬时的，即力的传递不需要任何媒介，也不需要任何时间。这种“超距”作用的观点随着狭义相对论的提出而遭到越来越多的质疑。1905年，爱因斯坦建立了超越牛顿力学体系的崭新时空观，他明确指出真空中的光速是一切相互作用（包含能量或信息的传递）传播速度的极限，因此排除了所有物理过程中瞬时超距作用的可能性。1935年，28岁的日本物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa）估算出力的传播子质量M与力的有效作用距离R之间存在一个简单的反比关系：

其中MeV代表兆电子伏，是能量或质量的单位，而m代表米，是距离的单位，并由此预言了在原子核之间传递强核力的pion介子的质量应该大致在100MeV的量级，后者果然在1947年的宇宙线实验中被发现。这是汤川教授发表的第一篇学术论文，但却使他一炮而红，荣获了1949年的诺贝尔物理学奖。

迄今为止，物理学家发现自然界至少存在四种基本相互作用，它们的强度可以用无量纲的数字近似地表征。最强的是强核力，它是短程力，只在原子核的尺寸范围内起作用。强相互作用既可以把夸克结合在一起形成质子或中子，也可以将质子和中子结合起来形成原子核。在夸克层面，传递强相互作用的基本粒子是胶子；但在核子层面，强核力的有效传播者就是汤川教授所预言的pion介子。第二类相互作用是人类最熟悉的电磁力，它是长程力，它的有效作用距离（力程）可以被看作是无穷大，但它的强度要比强核力小上百倍。电磁力的传播子是人们在日常生活中唯一能够切身感受到其存在的基本粒子——光子。弱核力是导致某些原子核发生衰变的超短程力，它的作用距离比强核力小近千倍，而它的强度更是远远小于电磁力的强度。但自然界中强度最弱的其实是引力，尽管它的有效作用距离可以无穷大，但它在原子或原子核的相互作用过程中弱到完全可以忽略不计的程度。给定各种力所起作用的范围，汤川的近似公式可以被用来估算它们的传播子的质量，并由此得出光子和引力子没有质量，只能以光速传播的有趣结论。不仅如此，传递弱核力的三类玻色子的质量大致相近，都在100GeV附近，也符合实验观测。

值得一提的是，有人认为“上帝粒子”希格斯玻色子H所传递的“汤川力”既然可以赋予若干基本粒子以质量，因此它或许可以被当作“第五种力”来看待。但上述基于汤川近似公式所做的估算表明，出现在电弱统一理论中的希格斯粒子确实具有和W或Z玻色子差不多的质量，属于弱核力的范畴。另一方面，在夸克层面上传递强相互作用的胶子没有静止质量，这似乎与汤川的近似公式相矛盾。村山齐博士告诉我们，这是由于强核力具有一种被称作“渐近自由” （asymptotic freedom）的奇特性质，类似于橡皮筋或弹簧：夸克之间的距离越大，彼此的吸引力就越强，强到科学家永远无法分离出单个夸克的程度；而一旦夸克之间的距离趋近于零时，它们就如同自由粒子一样，相互作用变得微乎其微。

同样激动人心的是发生在太阳中心的核聚变过程，后者产生了大量能量，其中一小部分到达太阳表面后，再传递到地球，使得一切生命都沐浴在光和热之中。但若要相信人类无法企及的太阳内部真的发生了诸如此类的奇妙反应，你必须想办法证明核聚变的另一产物——与弱核力相伴而生的中微子——也到达了地球。这正是美国科学家雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）在1968年所做的事情：他发现了来自太阳中心核聚变所产生的中微子，由此揭开了中微子天文学的序幕。

   

本文已正式发表于《科学世界》2016.7。

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