宇宙是什么

1. 预言了未知粒子及其质量的汤川理论

  本章介绍的力，是我们日常生活中无法直接感知到的力。它们便是作用于微观世界的“强力”（强相互作用）与“弱力”（弱相互作用）。

  前文曾说过，如果没有电磁力，那么包括我们身体在内的所有物质，都无法维持稳定状态，只能停留在原子的层级。其实，在维持世界稳定方面，强力与弱力同样重要。与引力和电磁力相比，这两种力的存在都会让人感觉难以理解。但是，如果没有这两种力，那么我们所在的物质世界就无法成立。

  在原子与原子结合成分子的过程中，电磁力是不可或缺的。但如果只有电磁力，那么原子核会分崩离析。这是因为构成原子核的质子带正电。氢原子只有1个质子，所以不存在这样的问题。但是，除此之外的其他所有元素，其原子核内都存在多个带正电的粒子。

  这样一来，正如卢瑟福实验中α粒子会被原子核“弹回”那样，质子之间（都带正电）也应该会互相排斥。但在实际中，质子和谐地存在于原子核内部。我们只能认为，原子核内部存在某种强于电磁力斥力的吸引力，使得质子紧密地结合在一起。

  这种作用力就是即将登场的强力。物理学家预言它存在并着手研究时，曾把它称为“核力”。如果没有这种力，那么原子核就无法被构成。无论电磁力多么努力地“撮合”原子与原子，自身难保的原子（氢以外的原子）也无法再去构成分子。汤川理论用一种未知粒子说明了强力，即原子核内部的质子会通过交换“介子”这种粒子产生强力，从而结合在一起。

  汤川理论还预言了该未知粒子的“质量”。安德森曾因为自己发现的新粒子（μ子）的质量与假说中介子的质量一致，将μ子误认为介子。不过，μ子的发现与介子的发现也存在关联。

  汤川理论之所以能够预言介子的质量，是因为汤川秀树发现原子核内部的这种力的“作用距离”较短。虽然电磁力的“作用距离”是无穷的，但并非所有的力都如此。让原子核维持稳定状态的力要远强于电磁力，所以如果这种力的“作用距离”较长，那么卢瑟福实验中的α粒子就不会被原子核“弹回”去了。在这种情况下，α粒子会在强于电磁斥力的吸引力的作用下，被原子核吸引过去。

  因此，强力能够到达的范围，理论上应该是原子核的直径（10^-15米）。这就意味着传递这种力的粒子非常重。

  与带电粒子制造虚光子从而产生电磁力的过程一样，强力产生的第一步是质子“暂时借来”能量制造介子。强力的作用距离较短，也就是指“返还”所借能量的时间较短。