一个最根基的物理学难题：什么是根基力？ 一个最根基的物理学难题：什么是根基力？ F is for fundamental forces 无论是你手拿一本书，还是上下阁下地滑动手机屏幕，都在施加一种力。这种涉及到物理性打仗的力在我们的日常糊口中无处不在。像摩擦力和空气阻力等都属于“打仗力”，它影响着运动和加快度，可以用牛顿的运动定律来描述。而当物理学家谈论根基力时，他们说的是差别的事物：完全没有打仗的物体之间可以或许彼此发生影响。

这种鬼怪般的“超距感化”曾令牛顿感应异常狐疑。如今，物理学家将个中的秘密归因于弥漫在空间中的场的感化。

在现署理解中，场是最根基的存在。场，可以说是两个物体之间的根基前言。

在电磁力、弱力、强力和引力这四种已知的根基力中，前三种根基力与量子场有关，每种量子场都有对应的粒子，这些粒子被称为规范玻色子，是卖力通报根基力的前言粒子（即载力粒子）。比拟之下，引力则特立独行，由完全差别的物理学定律所支配。根基力与我们在日常糊口中所能注意到的普通力的区别在于，根基力不能被简化为另一种力或场。

但到底存在几多这样的不能被转化为其他力的根基力呢？物理学家还没有最终的谜底。电磁力 展开全文 1 9世纪，包括法拉第和麦克斯韦在 内的物理学家举行了大量的尝试和理论研究，证明晰电和磁实际上是一个统一现象的两个方面：移动的电流能发生磁场，变化的磁场会发生电场。

麦克斯韦的电磁学理论表白，电场和磁场老是以恒定速度——光速——流传。到了20世纪，量子场论的成长表白了电磁力是感化于所有带电粒子之间的根基力：同性电荷彼此排斥，异性电荷彼此吸引；雷同的环境也产生在南北磁极上，不外差别的是，磁极老是成对呈现，不存在能独立移动的磁单极子。量子电动力学是此刻用来解释电磁力的量子场论。按照量子电动力学，我们知道电磁力的载力粒子是光子，差别能量的光子对应于差别频率的波，而电磁波谱是对所有这些波的统称。

电磁力还不止于此，它是一种能将带负电的电子与带正电荷的原子核联合起来的力，因此这种力确保了不变的原子得以形成，化学反映得以产生。除此之外，它还卖力日常糊口中的很多力，好比从原子级来看，摩擦力是一种由电子间的彼此感化所导致的力。

弱力 弱力之所以称之为弱力是因为只管它比引力强，但它只在很是短的间隔（10⁻%uB9⁸米）下有效。弱力支配着粒子的衰变，假如没有它，太阳将不会燃烧。弱力的载力粒子有三种，别离是W⁺、W⁻和Z⁰玻色子。

物理学家认为在很是高的能量下，电磁力和弱力应该统一成电弱力，也就说它们是电弱力的两面。但当它们试图用电弱量子场论来描述弱力和电磁力时，老是碰到一个问题，那就是电弱理论要求光子、W⁺、W⁻和Z⁰都是无质量的。

1967年，物理学家萨拉姆和温伯格提出，所有的粒子在宇宙大爆炸中发生时，简直都是无质量的，而且在弱力和电磁力，以及在四种携带它们的粒子之间存在着完美的对称性。但这种对称性是不不变的，跟着宇宙的冷却，这种对称性会履历所谓的自发对称破缺的历程。

在此历程中，差别的粒子得到了差别的质量。为了实现这种转变，他们使用了希格斯等人在几年前发现的数学技巧。像W⁺等粒子会通过与所谓的希格斯场彼此感化，从而得到质量。

与希格斯场相关的粒子被称为希格斯粒子，于2012年最终被发明。强力 夸克是构成原子核中质子和中子的根基粒子，在亚原子标准下，强力卖力将夸克束缚在一起。强力是四种根基力中最强的，在10⁻%uB9⁵米的标准下，它比电磁力强137倍，比弱彼此感化强上百万倍。卖力通报强力的载力粒子是 胶子，它携带有“色荷”，因此可以或许与同样带有色荷的夸克相互产生彼此感化。

我们知道，当带电粒子相距越远时，电磁力就越弱，但有趣的是当把夸克与胶子分隔时，它们之间的力反而会变得越强，并试图将它们拉回到一起。这种现象被称为渐近自由。也正因为如此，夸克和胶子无法独立存在，而是只能作为更大的复合粒子的一部门呈现，好比质子和中子。

在量子场论中，解释强力的理论被称为量子色动力学。一直以来， 物理学家都试图联合量子电动力学和量子色动力学。

在宇宙形成初期的极高能情况下，电弱力和强力也被认为可以合二为一。可以或许统一电磁力、弱力和强力的理论被称为大统一理论。

几十年来，物理学家一直在寻找大统一理论的尝试证据，好比理论所预言的质子衰变。引力 在四种自然的根基力中，电磁力、强力和弱力都由量子场论描述，通过量子粒子流传；唯独第四种根基力——引力，与其他三种差别。

引力是已知的四种根基力中最弱的一种。在1687年出书的数学物理著作《道理》中，牛顿用一个公式来描述这种能让苹果从树上落下，使行星绕恒星轨道运行的力。在他的描述中，引力是一种告诉物体如何运动的力。两个物体之间的引力巨细与它们的质量成正比，与它们之间的间隔的平方成反比。

虽然牛顿的万有引力在绝大大都环境下都运作杰出，然而却存在一个显而易见的问题——它似乎能跨越很远的间隔，瞬间发挥感化。这个问题也一直困扰着牛顿本人，直到爱因斯坦呈现。1916年，爱因斯坦提出广义相对论，从头界说了引力，引力不再仅仅是单个物体的属性，而是整个宇宙的属性，它是由物体导致的时空弯曲的成果。

时空中任何一点的引力场的强度都是时空弯曲的水平，具有质量的物体沿着这些无形的弯曲曲线坠落。而爱因斯坦的这种引力理论，已经通过了迄今为止所有的检讨。

比年来，抢占各大新闻媒体头条的引力波、黑洞都是由广义相对论所描述。第五种力？ 四，看起来长短常随机的一个数字，为什么不行能有更多的根基力？事实上，物理学家很早就开始寻找第五种力存在的可能性了。比方，1986年，麻省理工的一组物理学家宣称他们发明了一种体现为反引力的第五种力——超荷；约莫在2000年，物理学家提出了一种新的力，名为精质，以解释那时刚发明不久的暗能量；2004年，两名物理学家提出了一种会随情况变化的变色龙力，一项最新的模拟显示，在一个具有变色龙力的宇宙中，也会形成我们此刻所观测到的星系。2015年，来自匈牙利的一个团队在不不变同位素铍-8的衰变中发明了异常，这表示着大概存在着一种新的、极端微弱的粒子——它的质量约莫为17MeV，是电子质量的约33倍。

假如可以或许获得证实，将对于解释暗物质的本质，以及统一几种根基力具有重大意义。2019年，同样的研究团队在氦原子核的衰变中也看到了相似的异常，这是对之前成果的进一步确认。

研究人员提出的新粒子是一种“疏质子的X玻色子”，可能对应着第五种根基力。假如他们的发明最终获得证实，那将是一件不凡的成绩，它意味着我们发明了一种新的粒子，也发明了一种新的根基力。但在这之前，另有很多的事情需要做。正如卡尔%uB7萨根所说：“不凡的主张需要不凡的证据。

” #创作团队： 文字：原原 封面/插图：岳岳 #参考来历： http://tech.mit.edu/V105/N58/force.58n.html https://www.discovermagazine.com/the-sciences/what-is-the-fifth-forcehttps://phys.org/news/2019-11-fundamental-havent.html https://astronomy.com/news/2020/03/the-fifth-force-what-is-it http://tech.mit.edu/V105/N58/force.58n.html 保藏 举报返回，检察更多。

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