万物之源：带你剖析宇宙力量

基本粒子及其相互作用，图源：当代物理学教育工程/美国能源部/美国国家科学基金会/劳伦斯伯克利国家实验室，刊于cpepweb。

当我们讨论自然界的基本法则时，我们可以将一切事物分解成四种力，这四种力就是宇宙万物的核心：

强核力：将原子核与独立的质子和中子束缚在一起的作用力。

电磁力：该作用力对带电粒子表现出吸引或排斥现象，可以将原子束缚在一起形成分子和生命基础，也能够产生电流等等。

弱核力：引起部分放射性衰变的作用力，同时也是造成不稳定的重离子变轻粒子的作用力。

引力：将地球、太阳系、恒星乃至整个星系捆绑为一体的作用力。

宇宙中的是四种基本力：从左到右依次为重力、电磁力、弱核力、强核力

图源：维基百科（Wikimedia Commons）

取决于看事物的角度不同，每一种基本力在特定的维度和环境中都有可能凌驾于另外几种力而存在。

原子核维度下的氦原子

图源：维基百科（Wikimedia Commons）

在最小的比例上——10^-16米，比一粒原子还要小百万倍——强核力的存在感超过其他任何力。以氦核为例：两个质子和两个中子以稳定的结构捆缚在一起，即使是质子间的电磁互斥力也无法克服如胶般牢固的强核力。即使移走一个中子，仅剩两个质子和一个中子的氦同位素也有着同样稳定的结构。在最微小的距离上，强核力能够超越其他任何力，因而在多数情况下可以认为是最强之力。

银河星系半人马座A及电磁加速下的高能粒子喷流。

图源： 美国国家航空和宇宙航行局（NASA）

但如果你的原子核足够大，那么电磁力将成为主宰之力。如铀-238就会时不时分裂出一个氦核，这是因为核内粒子间的互斥力过大以至于强核力都无法将其束缚在一起。从宏观宇宙角度来看，坍缩星和高速旋转的带电粒子所产生的强磁场可以加速粒子形成宇宙最强大的力：从四面八方对我们进行狂轰滥炸的超高能宇宙射线。不同于强核力，电磁力的范围可以无限扩大；在宇宙的另一端也可以感受到质子的电场。

大原子核内部的β衰变图解

图源：维基百科（Wikimedia Commons）

弱核力，从名字上看，似乎与宇宙最强之力最是无缘。但即使相对较弱，在特定的时刻它也能大放异彩。在适当的条件下，电磁力（在带电粒子间产生互斥力）与强核力（将原子核束缚到一起）相互抵消，极短距的弱核力一跃成为主宰之力。当它成为主宰时，系统的平衡态将被彻底打破，这是因为弱核力会引起放射性衰变（β衰变），也就是将中子转变为质子、电子或者反电子中微子。自由中子、重元素以及放射性水源（含氚废水）中发现的不稳定态同位素—氚元素，都揭示了弱核力的力量。

行星形成系统图解

图源：美国国家航空和宇宙航行局（NASA）

但在最大的比例范围上——以星系、星系团等为单位——以上提到的任何力都不足为道。尽管电磁力的作用范围可以延伸至整个宇宙，却依然不会影响太多，这是因为宇宙中的正负电荷整体保持平衡（主要是质子和电子）。即使在可观察范围内，我们可以把宇宙中的电荷差控制在10^34次方分之一以下。宇宙告诉我们，虽然电磁力可能比两个例子间的引力大得多，但如果足够多的粒子聚在一起整体呈现或接近于电荷中性，引力则会成为唯一的关键力。核聚变过程中产生的的辐射压力无法把恒星拆散就是因为它们间的相互引力克服了核聚变能量的外推力。

宇宙中已知最大的独立星系

图源：斯隆数字巡天探测中心（Sloan Digital Sky Survey）

在宇宙中，星系团、大的天体结构间的跨度可以长达十亿光年以上。然而，无论是相距80亿光年、100亿光年还是150亿光年，在整个宇宙中总能找到绝对零值。令人感到疑惑的是，这并不是我们提及的以上任何一种力的作用造成的，而是源于一种意想不到的现象：暗能量。

暗能量相机拍摄的埃尔戈多星系团（低亮度），图片中它独立于其他结构而存在。

图源：暗能量巡天计划（Dark Energy Survey）

放到最大的比例范围，这种天然存在于太空中的基本能量，尽管十分微小——每立方千米不到1焦耳——已经足够克服宇宙中最大星系团之间的相互引力了。引发的结果就是加速膨胀，随着时间进度的推移，相距最远的星系团以更快的速度远离对方。站在宇宙的维度，引力也无法起作用。

宇宙膨胀的可能性模型

图源：美国国家航空和宇宙航行局（NASA）和ESA（欧洲航天局）

谁是宇宙最强？缩小到最小比例，强核力堪当重任；论及最高能量，电磁力当之无愧；若说到最大的束缚结构，引力当仁不让；而在这一切之上，宇宙中神秘的暗能量开始主宰一切。如果要比较绝对量级，暗能量最是微弱：它的初现耗费了宇宙整整一半的岁月，而人类直到1998年才发现它的存在。但宇宙是如此之大，当整个宇宙容积被叠加到一起，遥望未来，暗能量会是最终唯一的能量。

相关知识

基本相互作用（fundamental interaction），为物质间最基本的相互作用，常称为自然界四力或宇宙基本力。迄今为止观察到的所有关于物质的物理现象，在物理学中都可借助这四种基本相互作用的机制得到描述和解释。

图解：力可以说成对一个物体的推力与拉力，可以由重力、磁力或任何可以造成质体加速的现象来产生。

大统一理论认为：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用可以统一成一种相互作用，目前统一弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已经获得实验证实。

图解：由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象。它是通过衰变为强子喷流的质子与电子的碰撞形成的。

大统一理论（Grand Unification Theory，缩写GUT）是一种物理理论。物理学者希望能借由单独一种物理理论来合理解释电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用导致的物理现象。大统一理论算是物理界迈向万有理论的踏脚石。请注意，大统一理论并不包括引力，试图也将引力统一的理论称为万有理论。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Ethan Siegel Senior Contributor-王皮鞋

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