"自然的力
不是所有人都有幸用自己的語(yǔ)言說(shuō)出別種語(yǔ)言的思想。
——雅克·拉康
無(wú)論是水果落在地上還是太陽(yáng)散發(fā)出光芒，無(wú)論是我們自己，桌子的平衡站立還是燈絲發(fā)出光亮，抑或是涂濕的郵票緊緊粘住信封，它們的運動(dòng)狀態(tài)都是自然界里各種各樣的力角逐之后的結果。
根據經(jīng)典物理學(xué)，如果一個(gè)粒子作用在另一個(gè)粒子上，那是因為個(gè)粒子所產(chǎn)生的場(chǎng)會(huì )在空間中傳播，該場(chǎng)再作用于另一個(gè)粒子。但是考慮到量子物理學(xué)，就不得不重新審視這個(gè)概念。在量子物理學(xué)的框架下，如果兩個(gè)粒子間有相互作用，那一定在這個(gè)過(guò)程中交換了某些東西，而這東西便是相互作用的特征粒子。換句話(huà)說(shuō)，只有通過(guò)第三個(gè)粒子的交換才能使兩個(gè)粒子之間進(jìn)行相互作用，這在學(xué)術(shù)上被稱(chēng)為相互作用的“規范玻色子”。
打一個(gè)比方來(lái)幫助我們更好地理解。想象湖上有兩只船，船上所有人都沒(méi)有能指揮和調整船運行的工具（沒(méi)有長(cháng)槳，沒(méi)有短槳也沒(méi)有撐桿）。假設兩條船都朝著(zhù)對方行使，按這個(gè)態(tài)勢發(fā)展兩條船看上去是一定會(huì )撞到一起的。真的是不可避免么？也不完全是。因為如果其中一個(gè)船員有比較沉的東西，比如球，就可以朝著(zhù)另一條船的乘客使勁扔過(guò)去，這樣一直扔下去，兩條小船便會(huì )一點(diǎn)點(diǎn)偏離開(kāi)。通過(guò)這種空間中的媒介，連續的投擲重球會(huì )形成一個(gè)排斥力進(jìn)而改變小船的行進(jìn)軌跡。
盡管這是一個(gè)不夠準確還需推敲的例子，但是它確實(shí)讓我們知道一件重要的事情：就好像沉重的球只能在短距離內來(lái)回投擲，粒子相互作用的范圍也將隨著(zhù)其介導粒子（即規范玻色子）的質(zhì)量升高而縮短。
換句話(huà)說(shuō)，如果規范玻色子的質(zhì)量很大，那么除非兩個(gè)粒子離得非常近，否則它們之間不會(huì )發(fā)生物質(zhì)交換，即不會(huì )有相互作用?；谝陨纤伎妓贸龅囊恍┬再|(zhì)，可以用量子物理學(xué)中完全嚴格的方式來(lái)表示。
宇宙基本的力有哪些？
為了了解他們能夠觀(guān)察到的所有現象，物理學(xué)家們只需要引入四種他們認為是“基本的”力。它們是哪些呢？當然有萬(wàn)有引力，3個(gè)世紀多以前由牛頓發(fā)現；電磁相互作用，由麥克斯韋在19世紀下半葉發(fā)現，它體現在日常生活中一些物質(zhì)的內聚力；弱相互作用，于1930年代發(fā)現，它控制著(zhù)某些放射性過(guò)程，特別是β放射性；強相互作用—與弱相互作用幾乎同時(shí)被發(fā)現—它們穩定地將原子核的不同組成部分連接在了一起。
讓我們更仔細地來(lái)看看它們的特點(diǎn)。
首先是萬(wàn)有引力。正是它讓我們能夠坐下，讓我們在跌倒時(shí)會(huì )疼痛。但是它也控制著(zhù)很多其他的現象，從物體的掉落到行星的移動(dòng)。萬(wàn)有引力同時(shí)也是原始氣體得以形成恒星的根源，正是它使原始氣體結合形成了恒星。也是它使得形成的恒星之間相互吸引，進(jìn)而形成星系。
萬(wàn)有引力的這種相互作用是吸引作用，且作用范圍趨向于無(wú)窮大，就是說(shuō)兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間只有當它們的距離是無(wú)限大的時(shí)候，它們之間存在的力才為零。沒(méi)有任何屏障能夠消除萬(wàn)有引力的影響，希望減小或消除萬(wàn)有引力的嘗試都是徒勞無(wú)用的。
萬(wàn)有引力的強度比其他相互作用要弱得多，以至于我們甚至可以忽略它在粒子層面的影響，而在粒子層面有其他強得多的力在起作用。但是，為什么又會(huì )說(shuō)萬(wàn)有引力在微觀(guān)層面上對我們那么重要呢？這是因為萬(wàn)有引力總是存在吸引的作用，這種作用是可疊加的：投入的粒子數量越多，萬(wàn)有引力越強。的確，我們身體的一個(gè)質(zhì)子與地球的一個(gè)質(zhì)子之間的萬(wàn)有引力是極小的，但是，我們身體的質(zhì)子非常多，而地球的質(zhì)子更多，將兩者結合在一起的無(wú)數小力量相互疊加，終形成了一個(gè)總的大力量，具體來(lái)說(shuō)等于我們的體重。
萬(wàn)有引力于是很好地表現了“團結就是力量”。
承載萬(wàn)有引力的粒子（它的“球”）叫作“引力子”。它的質(zhì)量為零。至少，這是我們目前掌握的知識讓我們對它進(jìn)行的構想，因為事實(shí)上科學(xué)家們至今還沒(méi)有發(fā)現引力子，即它是否真實(shí)存在仍然存疑。
電磁相互作用比萬(wàn)有引力強得多。它對我們的影響隨處可見(jiàn)，正是因為電磁相互作用我們所有的家用電器才能運行，從吸塵器到咖啡機，再到電冰箱和電熨斗。但在更基礎的層面，它主要保證了原子和分子的內聚力，控制所有的化學(xué)反應及光學(xué)現象（我們要記得，光就是由電磁波組成的，也是由光子構成的）。和萬(wàn)有引力一樣，電磁相互作用的影響也是趨向于無(wú)窮的，但是，因為它時(shí)而具有吸引力，時(shí)而具有排斥力（根據電荷正負性而變化），在遠距離時(shí)它的疊加效果因為物質(zhì)整體呈中性而被抵消了。
電磁相互作用是通過(guò)和光子的交換進(jìn)行的，所以光子是它的媒介，是它的“球”。光子的質(zhì)量為零。這些光子被認為是“虛擬的”，并不是因為它們是人造的，而是因為當兩個(gè)帶電的粒子互換光子時(shí)，光子無(wú)法單獨被探測到。
弱相互作用的作用距離很短，大約為10-18米。還不如說(shuō)和膠水一樣，這是一種通過(guò)接觸來(lái)實(shí)現的相互作用：只有在兩個(gè)粒子幾乎相互接觸的情況下，它們才能通過(guò)弱相互作用相互影響。它同時(shí)也是β放射性的成因，這種作用使得一個(gè)中子衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，同時(shí)共同放射一個(gè)反中微子。正如它的名字所示，弱相互作用的特征是強度非常微弱、非常難以觀(guān)察到。但這并不能阻止它扮演一個(gè)重要角色，特別是在太陽(yáng)中，它決定著(zhù)氫原子核的聚變反應。如果它從宇宙中消失，那么我們的恒星就會(huì )停止閃耀……
有三種粒子是弱相互作用的媒介。我們稱(chēng)它們?yōu)椤爸虚g玻色子”，并將它們記作W ，W-和Z0。因為弱相互作用的距離非常短，這些“球”的質(zhì)量必須非常大。實(shí)際上，這個(gè)質(zhì)量幾乎達到質(zhì)子質(zhì)量的100倍。歐洲核子研究組織（簡(jiǎn)稱(chēng)CERN）于1984年證實(shí)了這三種中間玻色子的存在，這多虧了為此而制造的一臺質(zhì)子和反質(zhì)子對撞機。
強相互作用是四種基本相互作用中強度的，但是在很長(cháng)時(shí)間里我們都不知道它。物理學(xué)家們在1930年代了解到原子核的穩定性中隱藏了某種令人驚訝的事物，于是猜到了它的存在。因為原子核中的質(zhì)子帶有同種電荷，電荷的作用力（庫侖力）是試圖將它們分開(kāi)的，所以它們會(huì )相互排斥。然而，它們似乎被很穩定地捆綁在一起。那么是什么克服了它們的電荷排斥力呢？沒(méi)有任何經(jīng)典力能夠解釋這一核內聚力。從這里，就產(chǎn)生了一個(gè)假設（隨后被證實(shí)）：在原子核中存在著(zhù)一種非常強的力，就是強相互作用，它的作用距離范圍非常短，約10-15米。
這一作用就如某種強力膠將兩個(gè)核子（質(zhì)子或中子，對它來(lái)說(shuō)無(wú)所謂）一個(gè)貼一個(gè)地粘上，但是只要將兩個(gè)核子分開(kāi)一點(diǎn)點(diǎn)，強相互作用就會(huì )迅速減弱。這并不影響它成為如此強大且令人難以置信的存在。例如它能夠在幾個(gè)10-15米的距離間，阻攔一個(gè)以每秒10萬(wàn)公里的速度投擲過(guò)來(lái)的質(zhì)子……你可以想象那個(gè)制動(dòng)力有多么強。
強相互作用的“球”是什么呢？它們叫“膠子”（gluon）。我們會(huì )在后文講述“夸克”（quark）時(shí)介紹。
并不是所有的粒子都會(huì )承受強相互作用。對這種作用敏感的粒子，如質(zhì)子或中子，叫作“強子”。不受它影響的粒子叫作“輕子”。我們掌握了超過(guò)350種不同的強子。它們都不穩定，的例外也許是質(zhì)子。這說(shuō)明它們很快就會(huì )衰變?yōu)槠渌p的粒子。它們的壽命（直到它們的衰變開(kāi)始之前的平均時(shí)間）可能非常短暫。某些易消逝的強子的壽命甚至只有10-23秒，這使得它們成為了自然中我們所知道的短暫的現象。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)強子從來(lái)都沒(méi)有時(shí)間停下來(lái)喘口氣。
基本粒子
有朝一日頭腦部分一定會(huì )戰勝粒子。
——皮埃爾·德普羅日
標準模型立足于少量基本粒子的存在，這些粒子沒(méi)有已知的內部結構并且是不可分割的。這些粒子分為兩類(lèi)，一類(lèi)是輕子，一類(lèi)是夸克。
輕子是什么？
我們將那些保持對原子核內聚力的強相互作用不敏感的粒子叫作輕子。今天我們知道輕子有6種。前3種不帶電且質(zhì)量非常輕：它們是中微子。另外3種是大質(zhì)量的輕子且帶電：電子、μ子和τ子，除了質(zhì)量和壽命，它們從各方面看都是相同的粒子。μ子是電子質(zhì)量的206倍，會(huì )在幾微秒后衰變?yōu)殡娮?、中微子和反中微子。τ子則更重，而且壽命非常短暫，只有10-13秒左右。
今天的一切現象都讓人認為輕子才是真正的基本粒子，也就是說(shuō)它們不會(huì )由更小的實(shí)體構成。得益于粒子加速器，我們可以用極大的能量（是與它質(zhì)量相當的能量的10萬(wàn)倍）撞擊電子，然而我們還從未成功使它“碎裂”成塊，也未觀(guān)察到它的內部結構可能隱藏的構成粒子。
和所有粒子一樣，每個(gè)輕子都有它的反粒子，與它質(zhì)量相同而電荷相反。電子的反粒子叫正電子。還有反μ子、反τ子和其他3種反中微子。
夸克是什么？
今天早上他又從三雙不同的襪子里挑了三只穿上了。
——埃里克·舍維拉爾
我們在上文提到過(guò)，有超過(guò)350種強子存在，也就是說(shuō)有350種粒子對強相互作用敏感。大部分這類(lèi)粒子不是在宇宙輻射中被探測到，就是在第二次世界大戰以后利用大型粒子加速器進(jìn)行的高能物理實(shí)驗中被探測到。
在1960年代初，有些物理學(xué)家認為數量龐大且種類(lèi)繁多的粒子幾乎不可能是基本粒子（即沒(méi)有內部結構的粒子）。1964年默里·蓋爾曼和喬治·茨威格分別首次提出了夸克理論，將物理學(xué)家們的這些推測以正規形式表現了出來(lái)?？淇死碚摰脑硎菑娮涌赡苁腔旌狭Ｗ?，由比它們更小的微?？淇嘶旌辖M成。由3個(gè)夸克組成的強子稱(chēng)為重子。其他的強子稱(chēng)為介子，由1個(gè)夸克和1個(gè)反夸克組成。理論家的這一創(chuàng )造在初幾乎沒(méi)有得到贊同，隨后被實(shí)驗證實(shí)后（特別是從1974年開(kāi)始）夸克理論才逐步得到了學(xué)界的承認。終，它使我們能夠非常精確地了解強子的結構。
今天我們知道存在6種夸克，以它們的“味”來(lái)區別?？淇说?種味分別由字母u，d，s，c，b和t代表（對應英文里up[上]，down[下]，strange[奇]，charm[粲]，beauty/bottom[底]和top[頂]的首字母）。通過(guò)它們，我們就能夠重構出已知的所有強子結構。例如，質(zhì)子是由兩個(gè)u夸克和一個(gè)d夸克組成，這就形成了一個(gè)夸克的三元組（uud）。至于中子，它包含著(zhù)一個(gè)u夸克和兩個(gè)d夸克，這就形成了（udd）。如果我們將一個(gè)質(zhì)子所擁有的電荷數作為單位電荷，那么u夸克的電荷數為2/3而d夸克的電荷數為-1/3，而這正好使得一個(gè)質(zhì)子的電荷數為1（2/3 2/3 – 1/3 =1）而中子的電荷數為0（2/3 – 1/3 – 1/3 = 0）。
夸克的味并不僅僅是將夸克區別開(kāi)的特征標簽。它另外的主要用途是標明夸克通過(guò)何種方式的弱相互作用力來(lái)相互作用，同樣地，它們所帶的電荷決定了它們通過(guò)什么樣的相互作用方式來(lái)進(jìn)行電磁相互作用。例如，弱相互作用能夠將一個(gè)d夸克轉變?yōu)橐粋€(gè)u夸克，而β衰變的進(jìn)行則正是由中子（udd）變成質(zhì)子（uud）。
除了味，夸克還有另一個(gè)同樣重要的特性，我們稱(chēng)之為“色”。粒子物理學(xué)家給這一特征起名為“色”并不是說(shuō)它真的和真實(shí)的顏色一樣有著(zhù)不同的顏色，就像夸克的味也不能說(shuō)它就是一盤(pán)好菜有著(zhù)不同的味道?？淇送耆珱](méi)有普通意義上的顏色。它們的顏色只是它們所帶有的一個(gè)標簽，這個(gè)標簽表明了它們強相互作用的作用方式?？淇擞腥N可能的隨機選擇的顏色：紅、藍和綠。在質(zhì)子或中子中，三個(gè)夸克中的每一個(gè)都有不同的顏色：也就是說(shuō)有一個(gè)紅夸克，一個(gè)藍夸克和一個(gè)綠夸克。一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)子和中子是“白”的，因為白色可以視作所有顏色的疊加。根據夸克理論，在實(shí)驗室里我們只能探測到白色粒子。
而夸克有著(zhù)確定的（白色以外的）顏色，它們不能被分別觀(guān)測到。我們只能探測到強子，而不能單獨探測到夸克?？淇丝偸潜弧瓣P(guān)”在強子里面。
強相互作用通過(guò)膠子的交換將夸克聯(lián)系在一起，膠子就是這一相互作用的媒介，是強相互作用的球。膠子就像不會(huì )斷裂的橡皮筋，有一個(gè)簡(jiǎn)單的作用：它們將強子里的夸克“粘上”。膠子有8種。它們也有顏色，它們與夸克相互作用，同時(shí)持續交換著(zhù)彼此的顏色：膠子就是如此讓夸克從藍變紅或者從綠變藍，循環(huán)往復，就像非?；钴S的三色燈。這種顏色的不停變換使得夸克和膠子糾纏交錯，保證了強子（非常短暫的）穩定性。
夸克和膠子，即使用日常用語(yǔ)中的詞匯來(lái)命名他們的特性（通過(guò)這種方式，物理學(xué)家希望或許能夠不再多增加這一學(xué)科中越來(lái)越多的抽象概念），它們仍然還是一些奇怪的東西。事實(shí)上，夸克和膠子越是彼此靠近，它們受“鄰居”的影響就越小，它們熙熙攘攘地擁擠在一個(gè)非常小的區域中，于是將它們聯(lián)系在一起的力幾乎降為零。在某種程度上，它們在短距離中變得自由。這點(diǎn)可讓那些在高峰期擠地鐵的人羨慕壞了……
但這一自由并非，因為夸克并不能逃離它們所屬的混合系統。這一切就像是它們在一座永遠不能離開(kāi)的監獄中獲得了自由。因為，當我們想要將一個(gè)夸克和與它相互作用的其他夸克和膠子分離開(kāi)來(lái)，進(jìn)而將這個(gè)夸克孤立出來(lái)時(shí)，我們需要提供的能量隨著(zhù)分離的距離的增加而更迅速地增加。自然不會(huì )浪費能量，它更傾向于使用這些能量來(lái)創(chuàng )造其他的夸克和反夸克：所有逃離的夸克立即就會(huì )披上搭檔們的外套而形成新的強子。也就是說(shuō)，夸克出門(mén)的時(shí)候總是會(huì )穿上衣服，讓我們從來(lái)不會(huì )看到它光著(zhù)身子。
標準模型里聚集了三個(gè)構造相同的夸克和輕子家族。每個(gè)家族都由兩個(gè)夸克和兩個(gè)輕子組成。事實(shí)上，只需一個(gè)家族（個(gè)，由電子、它的中微子以及u和d兩個(gè)夸克組成）就足以表現我們周?chē)奈镔|(zhì)（例如原子，是由原子核及圍繞它旋轉的電子組成，原子核本身又是由質(zhì)子和中子組成，也就是終就是由u和d組成）。那么，其他兩個(gè)夸克和輕子的家族又有什么用呢？為什么自然選擇了“重復”這樣的東西，創(chuàng )造了三次幾乎一樣的東西？這是物理學(xué)家們到現在還不能回答的兩個(gè)問(wèn)題。
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