宇宙是什么

1. 引力、电磁力、强力和弱力

  在自然界中，物质之间存在若干种作用力。其中，我们最最熟悉的作用力应该是“引力”。物体落到地面上，以及人踩在地面上行走，所有人都认为这是理所当然的现象。但是，为什么物质与物质会互相吸引呢？一旦思考这个问题，就会发现这些司空见惯的现象也变得非常奇妙。对于物质间相互吸引的这种奇妙现象，爱因斯坦的解释是“引力使空间发生了扭曲”。

  还有一种物质间“互相吸引”的现象是我们非常熟悉的，那就是磁铁的S极与N极、正电荷与负电荷间互相吸引的现象。与引力不同的是，它们之间的作用力不仅仅只有“吸引力”。当同极（例如S极与S极）、同电荷（例如负电荷与负电荷）互相接近时，还会出现“斥力”作用使它们互相远离。

  电力与磁力曾经被认为是完全不同的东西。19世纪的物理学家麦克斯韦发现了它们是同一种力，并将二者统一为“电磁力”。麦克斯韦创立的经典电磁学极大地推动了社会的进步。例如，无线电波已经是我们生活中不可或缺的东西，而预言了无线电波等电磁波存在的，也正是麦克斯韦的理论。

图3-1 作用于物质之间的四种力

  电磁力产生于交换“光子”这种玻色子的过程中，其具体机制我会在后文介绍。总之，从很久以前，物理学就在寻求这种“力”的法则。

  在自然界发挥作用的“力”并非仅有引力和电磁力。这两种力可以解释我们平时所见的宏观世界。除此之外，在基本粒子的微观世界中，还存在两种“力”。

  前文曾提过将质子和中子（以及构成它们的夸克）结合在一起的力，它便是微观世界两种力的其中之一。这种力与引力、电磁力不同，叫作“强力”。这个名字听起来像日常中使用的词语。不过，它是基本粒子物理学的术语，请不要把它当成普通的词语，其英语为Strong Interaction，也被译为“强相互作用”。

  在微观世界的两种力中，一种力是“强力”，那么或许大家能猜出另外一种力的名字。没错，另外一种力叫作“弱力”（Weak Interaction，弱相互作用）。弱力会对所有粒子都产生作用。前文提到的中子的β衰变，便是弱力引起的典型现象。

  引力、电磁力、强力和弱力，我们物理学家正尝试用一个原理来解释自然界中存在的这四种力。

图3-2 统一的历史

  有人可能会纳闷：“分别解释这四种力不就行了吗？”但是，物理学家不这么想，因为他们拥有这样的信念：自然界的底层应该存在简单的基本法则，万物都会遵循这一法则。如果物理学家没有这种信念，那么20世纪的物理学恐怕也无法发展到“标准模型”这种高度。

  爱因斯坦的夙愿之一，便是完成统一引力和电磁力的理论，也就是统一自己的广义相对论与麦克斯韦的电磁学。但是，就连爱因斯坦这样的天才都没能将其变为现实。他在离世时，或许也觉得非常不甘心。

  令人遗憾的是，作为20世纪物理学研究顶峰的标准模型也没能统一这四种力。其实，标准模型最初是用来解释引力之外的三种力（电磁力、强力和弱力）的理论。

  研究者已经了解了分别传递这三种力的粒子的作用，但仍然没有完成统一电磁力、强力和弱力的理论。尽管统一电磁力与弱力的理论（温伯格-萨拉姆理论）已经通过了实验验证，不过仍然存在不少需要逾越的障碍。

  因此，虽然现在的标准模型已经发展到了相当高的程度，但它仍然是“半成品”。在介绍后面的内容之前，我想先让大家明确这件事情。