自然界有幾種力?我們熟悉的有兩種,一種是電磁力,另一種是引力。電磁力很好理解,電荷之間,同性相斥、異性相吸。磁場也可以作用洛倫茲力在運動的電荷上。電荷之間的庫侖力以及磁場和電荷之間的洛倫茲力,都可以被統稱為電磁力,電和磁其實是一回事,都被麥克斯韋方程組統一在同一理論框架內。
引力我們也很熟悉,任何兩個有質量的物體之間都存在吸引力。電磁力和引力都是有宏觀作用的力,在早年就已經被發現並研究了。在很長一段時間裏,物理學家們認為世界上隻有這兩種力。先是麥克斯韋統一了電和磁,愛因斯坦在發明了廣義相對論以後,試圖把電磁力和引力再進行統一。但很明顯,愛因斯坦的嚐試是失敗的,因為自然界的力遠遠不止電磁力和引力。
我們知道,原子核是非常小的,但是原子核裏往往有多個質子和多個中子。中子不帶電,質子帶一個正電荷。那就有了一個大問題,就是質子與質子之間應當同性相斥,且它們在原子核內的距離非常近,相互排斥的力應該大得驚人。但為何原子核的結構沒有分崩離析呢?是什麽力把質子束縛在一起的呢?答案是強相互作用力。
早在20世紀30年代,日本物理學家湯川秀樹就提出,質子若要克服正電荷之間的排斥力而被綁在原子核裏,則必存在另外一個比電磁力強得多的力,這個力便是強相互作用力,簡稱強力。湯川秀樹同時提出,原子核當中應當存在一種粒子作為傳遞強力的媒介,這種粒子被他命名為介子。在20世紀40年代,介子被證實了。強力的強度大約是電磁力的137倍。介子的質量大約是質子和中子的六分之一。
強力雖強,它的力程卻很短,就好比一個拳擊手的拳頭非常有力,但是手臂的範圍是有限的,不能攻擊到太遠的目標。強力的作用距離大約隻在原子核大小的範圍內。因此,強力並無任何宏觀作用,它隻在原子核的範圍內展現出顯著的作用。
除了強力外,還有一種力,叫弱相互作用力,簡稱弱力。弱力是在研究β衰變的過程中發現的。中子容易發生β衰變,轉化成質子並放出一個電子以及一個反中微子。主導這個衰變發生的力便是弱力。弱力非常弱,它比電磁力要弱很多,大約隻是強力的1億億億分之一。並且弱力的作用範圍比強力更小,弱力幾乎隻在單個質子或中子內部有效。同樣地,弱力也無宏觀作用。
這樣看來,能夠有宏觀作用的力隻有電磁力和引力。那如果我推你一下,這個力是什麽力呢?它實際是電磁力。用排除法就知道,我推你一下不可能是萬有引力,因為引力太弱了,人體的質量不會產生顯著的引力效果。那就隻剩下電磁力了,在我的手跟你接觸的時候,我手上的分子和你身上的分子,在微觀層麵上其實是發生電磁相互作用。
到目前為止,我們隻發現了強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用。自然界是否隻存在這四種相互作用力?未必,例如對於暗物質的最新研究表示,如果暗物質存在的話,它有可能參與第五種相互作用。也就是說,這四種相互作用是我們已經發現的,但並不能保證沒有更多種類的相互作用存在。