在《什么是“基本”？》和《世界是由什么構(gòu)成中》我們已經(jīng)詳細(xì)的談到了構(gòu)成我們世界最基本粒子：夸克和輕子。所以.......
我們熟悉并熱愛的宇宙之所以存在，是因?yàn)榛玖Ｗ娱g的相互作用，這些作用包括了吸引、排斥、衰變和湮滅。
物理學(xué)家經(jīng)過(guò)過(guò)去一個(gè)世紀(jì)的努力，已經(jīng)搞清楚了粒子間共有四個(gè)基本相互作用，世界上所有的力都可以被歸納為這四個(gè)相互作用！
沒錯(cuò)，日常生活中我們熟悉的摩擦力、磁力、引力、原子核衰變等等都是由這四個(gè)基本相互作用力之一所引起的。
等等，上面我們說(shuō)了力和相互作用，難道它們有所不同？嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，力是因?yàn)橐粋€(gè)粒子的存在影響了另一個(gè)粒子，粒子的相互作用包括了全部影響它的力，但也包括粒子可能經(jīng)歷的衰變和湮滅（我們之后會(huì)談到這衰變和湮滅）。
這個(gè)原因讓大部分人搞不清楚，甚至是一些物理學(xué)家也經(jīng)常隨意地使用“力”和“相互作用”，但是顯然“相互作用”的用法更加準(zhǔn)確。舉個(gè)例子，我們叫帶有相互作用力的粒子為“載力粒子”。通常你可以隨意使用兩者，但是必須記住它們間的區(qū)別。
那么，粒子是如何相互作用的？
這并不是一個(gè)好回答的問(wèn)題，物理學(xué)家為此困擾了多年。
這里的問(wèn)題重點(diǎn)在于物體并沒有直接的接觸就可以相互作用！兩個(gè)磁鐵是如何“感覺”到對(duì)方的存在而適時(shí)的產(chǎn)生吸引或排斥？太陽(yáng)又是如何吸引著地球？
好吧，你肯定會(huì)理所當(dāng)然的認(rèn)為，那不就是“磁力”和牛頓的“萬(wàn)有引力”嘛！因?yàn)檫@些現(xiàn)象在生活中太司空見慣，以至于我們都沒有停下來(lái)細(xì)想一下，這些力到底是什么？額，想了一下，是不是沒頭緒..........
如果你不知道并沒有關(guān)系，因?yàn)楫?dāng)年牛頓提出萬(wàn)有引力后他自己也并不知道答案，他直接認(rèn)為這只是神奇的“超距作用”。
看不見的作用
你可以把力想象成類似于下面的情況：
兩個(gè)人站在冰上，一個(gè)人擺動(dòng)他的手并被向后推。過(guò)了一會(huì)兒，另一個(gè)人接住一個(gè)看不見的物體然后往后退。我們假設(shè)這個(gè)看不見的物體是個(gè)籃球。雖然你不能看到這顆籃球，但你能假設(shè)一個(gè)人丟出籃球給另一個(gè)人，因?yàn)槟憧吹剿饔迷谌松砩系慕Y(jié)果。
結(jié)果顯示作用在物質(zhì)粒子上的所有作用力都是通過(guò)交換載力粒子而產(chǎn)生的，這些粒子就想籃球一樣，被兩個(gè)物質(zhì)粒子拋來(lái)拋去。簡(jiǎn)單的說(shuō)，載力粒子就是兩個(gè)粒子之間的信使。
所謂的力是通過(guò)載力粒子的交換而產(chǎn)生的，這樣的理論已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大力的支持。
關(guān)于載力者，我們必須知道一件事：一個(gè)特定的帶力粒子只能夠按特定力所影響的物質(zhì)粒子吸收或放出。舉個(gè)粒子來(lái)說(shuō)，電子和質(zhì)子有電荷，所以它們就能放出或吸收電磁載力者——光子。也就是說(shuō)只有特定的信使才能完成這個(gè)任務(wù)。
警告：如果你要吸收或放出一個(gè)載力粒子，你最好被載力粒子所攜帶的力影響。違者將以破壞真理的罪名被起訴！
電磁現(xiàn)象
電磁力會(huì)導(dǎo)致同電荷相斥和異電荷相吸。很多生活中的力，比如摩擦力、甚至是磁力都是由電磁力造成的。你要深刻的記住，如果沒有電磁力的作用，你就會(huì)落下穿過(guò)你自家的地板！多虧了電磁力，它使得由原子組成的物質(zhì)包括你的腳和地板相互抵抗以免被轉(zhuǎn)移。
我們已經(jīng)知道，電磁力的載力粒子是光子。不同能量的光組成了電磁光譜，包括X光、可見光、無(wú)線電波等等。
這里我們要記住一點(diǎn)，光子并沒有質(zhì)量，而且總是以“光速”行進(jìn)。真空中的光速大約每秒3億米的速度前進(jìn)著。
殘留電磁力
原子內(nèi)通常有同等數(shù)目的質(zhì)子和電子，因?yàn)閹д姷馁|(zhì)子和帶負(fù)電的電子想消，所以它們是電中性的。既然它們是電中性的，那時(shí)什么力量使它們粘在一起而形成穩(wěn)定的分子呢？
答案聽起來(lái)或許有點(diǎn)奇怪：物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)原子的部分電荷，能和另一個(gè)原子的部分電荷相互作用，導(dǎo)致不同原子的結(jié)合。這種作用力被稱為殘留電磁力。
所以電磁力允許原子相結(jié)合形成分子，允許世界保持在一起而不分崩離析，并一直產(chǎn)生與你相互作用的物質(zhì)。是不是很驚訝？世界的構(gòu)造之所以存在只是因?yàn)殡娮雍唾|(zhì)子有相反的電荷！
這就是生命的意義的終極答案！
那么原子核呢?
回顧一下之前說(shuō)的，原子是由原子核和電子組成的。原子核包括質(zhì)子和中子，它們都是由夸克組成的。質(zhì)子帶電，而中子是電中性的，而帶正電的質(zhì)子會(huì)彼此排斥。那么問(wèn)題又來(lái)了！是什么使得原子核結(jié)合在一起而不會(huì)散開來(lái)呢？
剛才我們說(shuō)過(guò)了，原子只所以能夠結(jié)合在一起是因?yàn)槭Ｓ嗟碾姶帕κ箮ж?fù)電的電子和帶正電的質(zhì)子相互作用。那如果電磁力統(tǒng)治著原子，原子核內(nèi)都帶正電的質(zhì)子理應(yīng)要互相排斥而不能穩(wěn)定存在。除非！除了電磁力，在原子內(nèi)還有其他力的存在。難道是萬(wàn)有引力？肯定不是，因?yàn)楹?jiǎn)單的計(jì)算就能只能引力小到根本無(wú)法跟電磁力相抵抗。
物理學(xué)家好像面臨了一個(gè)窘迫的局面。
強(qiáng)相互作用力登場(chǎng)！
為了理解在原子核內(nèi)發(fā)生了什么事，我們必須了解更多組成質(zhì)子和中子的夸克的性質(zhì)。夸克帶有電荷，它們也有完全不同種的電荷叫色荷。在色荷之間的力很強(qiáng)，所以這個(gè)力被創(chuàng)造性的命名為：強(qiáng)相互作用（下面簡(jiǎn)稱強(qiáng)核力）。
強(qiáng)核力把夸克抓在一汽形成強(qiáng)子，所以它的攜帶粒子很怪異的叫做“膠子”，因?yàn)樗鼈兙o密地將夸克“粘”在一起。物理學(xué)家起名字有時(shí)候還真的是簡(jiǎn)單粗暴呢！
色荷和電荷的行為并不同，膠子自己就是色荷，它很怪異，而且不像光子一樣沒有電荷。且當(dāng)夸克有色荷時(shí)，由夸克組成的復(fù)合粒子沒有凈色荷（它們是色中性的）。由于這個(gè)原因，強(qiáng)核力只發(fā)生在非常小的距離內(nèi)，這就是為何在日常生活中你并不會(huì)察覺到強(qiáng)核力存在的原因。
色荷
夸克和膠子都是色荷粒子。就像電磁力中，電荷粒子間靠著交換光子相互作用，在強(qiáng)核力中色荷粒子通過(guò)交換膠子傳遞信息。當(dāng)兩個(gè)夸克接近時(shí)，它們就交換膠子產(chǎn)生使夸克結(jié)合在一起且非常強(qiáng)的色力場(chǎng)?？淇穗x得越遠(yuǎn)，力場(chǎng)強(qiáng)度就越大?？淇送ǔ：推渌目淇私粨Q膠子時(shí)改變其色荷。
色荷是如何運(yùn)作的呢？
一共又三種色荷以及和三種相應(yīng)的反色荷（互補(bǔ)色）。每個(gè)夸克有三種色荷的其中一個(gè)，而每個(gè)發(fā)夸克有三種發(fā)色和中的一個(gè)。就想混合紅光、綠光和藍(lán)光產(chǎn)生白光，在重子中，結(jié)合紅、綠和藍(lán)色荷成為色中性，在反重子中，反紅、反綠和反藍(lán)也是色中性。
膠子可以被看作是帶有一個(gè)色荷和一個(gè)反色荷，因?yàn)樗鼈冊(cè)谖蘸歪尫诺倪^(guò)程中總是會(huì)改變顏色。由于共有九種可能的色彩和反色彩的組合，所以我們期望會(huì)有九種不同的膠子電荷，但是數(shù)學(xué)計(jì)算出來(lái)的只有八種組合。不幸地，目前對(duì)這個(gè)結(jié)果還沒有直觀的解釋。
澄清：這邊提到的“色荷”和可見顏色沒有沒有任何關(guān)系，它只是物理學(xué)家所發(fā)展出的數(shù)學(xué)系統(tǒng)，以解釋所觀察到在強(qiáng)子中的夸克而命名的。
夸克禁閉
一個(gè)事實(shí)：色荷粒子不會(huì)單獨(dú)地被發(fā)現(xiàn)?；谶@個(gè)理由，色荷粒子和其他夸克被限制在群體（輕子）之中，這樣的組合是色中性的。
強(qiáng)核力在標(biāo)準(zhǔn)模型中的發(fā)展反映出夸克只在重子（三夸克物質(zhì)）和介子（夸克和反夸克物質(zhì)）中結(jié)合的證據(jù)，對(duì)于四夸克物質(zhì)則不然?，F(xiàn)在我們知道只有重子（三個(gè)不同顏色）和介子（色彩和反色彩）是色中性的，不能結(jié)合成色中性狀態(tài)的粒子是永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)的。
色力場(chǎng)
夸克在強(qiáng)子中會(huì)不停的交換膠子，由于這個(gè)原因，物理學(xué)家討論由膠子將一串夸克結(jié)合在一起所構(gòu)成的色力場(chǎng)。如果在強(qiáng)子中的夸克之一被拉離它的鄰居，更多的能量加到色力場(chǎng)，而導(dǎo)致某個(gè)瞬間，色力場(chǎng)更活躍且容易“啪的一聲”產(chǎn)生新的夸克和反夸克對(duì)；同時(shí)能量必須是守恒的，因?yàn)樯?chǎng)的能量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾驴淇说馁|(zhì)量，而色力場(chǎng)就會(huì)“放松”成未拉緊時(shí)的狀態(tài)。
記?。嚎淇瞬荒軉为?dú)地存在是因?yàn)楫?dāng)它們被拉離的時(shí)候，色力也同時(shí)不斷地在增大。
釋放膠子的夸克
好多東西要記?。?strong>色荷總是守恒的！
當(dāng)夸克釋放或吸收一個(gè)膠子時(shí)，夸克的顏色必須改變以維持色荷守恒。比如，假設(shè)一個(gè)紅夸克變成了藍(lán)夸克，且釋放出了一個(gè)紅/反藍(lán)膠子，凈色彩仍是紅色。這是因?yàn)楫?dāng)釋放出膠子的時(shí)候，藍(lán)色的夸克會(huì)和反藍(lán)色的膠子相互抵消。所以剩下的色彩仍然是紅色的膠子。
殘留強(qiáng)核力
現(xiàn)在我們知道強(qiáng)核力將夸克結(jié)合在一起是因?yàn)榭淇擞猩伞５沁€不能解釋是什么將原子核結(jié)合在一起，由于正電荷的質(zhì)子以電磁力相互排斥而質(zhì)子和中子都是色中性的。
那到底是什么將核結(jié)合在一起的呢？？？
簡(jiǎn)單的說(shuō)，答案是它們并不是無(wú)緣無(wú)故的就被稱作強(qiáng)核力。一個(gè)質(zhì)子的夸克和另一個(gè)質(zhì)子的夸克之間的強(qiáng)核力夠強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大過(guò)電磁的排斥力。
弱相互作用
我們知道，標(biāo)準(zhǔn)模型中有六種夸克和六種輕子。但是，在宇宙中的所有穩(wěn)定物質(zhì)似乎都只是由最輕的兩個(gè)夸克（上夸克和下夸克）和最輕的帶電輕子（電子）和中微子所組成。
弱相互作用（簡(jiǎn)稱弱力）主要發(fā)生在夸克和輕子衰變成較輕的夸克和輕子的過(guò)程中。當(dāng)基本粒子衰變時(shí)，我們觀察到粒子消失并且由至少兩個(gè)不同的粒子所取代。雖然總質(zhì)量和總能量是守恒的，但是原來(lái)粒子的一些質(zhì)量轉(zhuǎn)變成動(dòng)能并導(dǎo)致經(jīng)過(guò)衰變后的粒子質(zhì)量總是小于原來(lái)粒子的質(zhì)量。
我們周遭的穩(wěn)定物質(zhì)都是由最小的夸克和輕子所組成的，因?yàn)樗鼈儾荒苓M(jìn)一步衰變。
當(dāng)一個(gè)夸克或輕子改變形態(tài)（比如，一個(gè)μ子變成電子），這個(gè)過(guò)程叫做變味。所有的味會(huì)改變都是因?yàn)?span>弱力。
弱力的攜帶粒子是W和Z粒子，W粒子是帶電的而Z粒子是電中性的。標(biāo)準(zhǔn)模型中電磁力和弱力被統(tǒng)一成弱電相互作用。
弱電相互作用（弱電力）
物理學(xué)家長(zhǎng)久以來(lái)一直相信弱力和電磁力有緊密的聯(lián)系。最后它們發(fā)現(xiàn)在極短距離時(shí)（大概是10的負(fù)18次方米），弱力的強(qiáng)度才比得上電磁力的強(qiáng)度。如果距離增加到30倍時(shí)，弱力的強(qiáng)度是電磁力的萬(wàn)分之一倍。
物理學(xué)家推斷，弱力和電磁力的強(qiáng)度基本相等，這是因?yàn)樽饔昧Φ膹?qiáng)度主要取決于帶力者的質(zhì)量以及作用力的距離。而由于W和Z粒子的質(zhì)量很大，而光子是沒有質(zhì)量的，因此它們所觀察的強(qiáng)度會(huì)有很大的差別。
萬(wàn)有引力呢？
引力是很不可思議的，它明顯是基本相互作用力之一，但標(biāo)準(zhǔn)模型不能解釋它。這也是當(dāng)今物理界令人頭痛卻想方設(shè)法回答的主要問(wèn)題之一。
除此之外，引力的載力粒子還未被發(fā)現(xiàn)。但是，也許有一個(gè)理論預(yù)測(cè)并已存在的粒子在某一天會(huì)被發(fā)現(xiàn)，那就是引力子。
幸運(yùn)的是，在大部分粒子物理情況下，引力和其它三個(gè)力比起來(lái)就顯得微不足道，所以在計(jì)算理論和實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠忽略引力的存在，如此一來(lái)標(biāo)準(zhǔn)模型就不需要解釋引力了。（額，好吧，理由有點(diǎn)牽強(qiáng)。）
總結(jié)
在《什么是“基本”？》一文中，我們提出的從古至今人們一直努力思索的兩個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在已經(jīng)有了答案。
我們的世界是由什么構(gòu)成的？這個(gè)世界是由六種夸克和六種輕子構(gòu)成，我們所看到的每個(gè)事物都是夸克和輕子的混合物。
是什么把粒子緊緊地束縛在一起？束縛粒子間的基本力一共有四種，且載力粒子和每個(gè)力都相關(guān)聯(lián)。
下面的圖總結(jié)了我們所講過(guò)的一切，有一些細(xì)節(jié)以后也會(huì)再提到。
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