力学喵2018-09-0822:20:18
宇宙中存在着四种基本力，他们分别是引力、电磁力、以及只在微观世界里才出现的强作用力和弱作用力。
但是这四种基本力究竟是什么样的力？长期以来科学家们希望能用一个理论统一四种力的到底是什么东西？
左上：引力（Gravity）右上：电磁力（Electromagnetism）左下：强作用力（Strong）右下：弱作用力（Wea
两颗粒子要产生互动，则必须先要让对方知道自己的存在，但要如何做到这一点？有个办法，就是在两者之间“传递”第三种粒子，这个“第三者”（不）被我们称为“媒介子”。
所以，我们不妨把这几种力比作像羽毛球和网球这样的运动竞赛，这些竞赛的规则都很类似，有两个或两个以上的球员站在球网的两侧，然后把一颗球打过来挥过去，目标一致皆为：努力让对手接不到球。
而我们人类的目标，则是要设法了解这些竞赛的规则，了解那几颗球究竟是怎么回事。我们的希望则是，最后发现，这所有看似不同的球赛，到最后组成了一个就像十项全能运动一样的超级运动竞赛。
超级运动竞赛：大统一理论
Chapter1引力
早在牛顿于1687年“发现”重力以前，人类其实就早已意识到重力的存在，仔细想想，若是没有重力，哈利法克斯的断头台上的刀片就会不时飞走。
哈利法克斯的断头台
人类对引力有着更深一步的认识，是在牛顿的《自然哲学的数学原理》发表后。
牛顿仅仅通过几道简单的算式，就能精准推测苹果落地的时间，行星绕行的轨道等等，根据他的定律，宇宙中的一切事物之间都会产生相互吸引的力，而且距离越远，这种力便越弱。
《自然哲学的数学原理》
尽管如此，牛顿并未窥得引力的全貌，直到1916年，爱因斯坦发表著名的广义相对论之后，我们才能真正了解引力。
引力是指具有质量的物体之间加速靠近的趋势，其来源于物体自身质量对于时空的弯曲。
爱因斯坦的广义相对论认为万有引力是由于时空弯曲而产生，具有质量的物体周围的空间是弯曲的。
根据数学定理，两点之间线段最短，然而，在被弯曲的四维时空里，短程线也被弯曲了。因此受到引力作用，行星沿短程线向太阳靠近，从而周而复始的绕太阳按椭圆轨道公转。
其中，构成天体系统的主要原因是质量所引起的时空扭曲。
大质量的天体导致时空扭曲，使小质量的天体围绕着它椭圆运动
引力就好像是羽毛球赛，羽毛球的比赛场地很大（整个宇宙），但冲击力道并不大，被羽毛球打到并不会很痛，相较之下，如果是足球或者是篮球，被打倒可能会痛得哭天喊地。
羽毛球是个不错的入门球赛，安全而又老少皆宜，更重要的是，每个人都有资格参加。宇宙中的所有粒子，无论质量大小都会创造出自己的“羽毛球拍”（重力场），也会对其他粒子产生引力。
然而这颗“羽毛球”----重力子，人类从未探测到它的存在，甚至还无法设计出实验来探究它是否存在，尽管如此，我们可以确知的是，重力子如果真的存在，它应该必须永远相吸、作用范围无限远。
Chapter2电磁力
电磁力是在带电荷的粒子之间引起的力。电场与磁场都是电荷产生的，其大小和方向都与距离电荷的远近有关，也都与电荷的大小有关，所不同的是，磁场还与电荷的运动速度有关。另外，电磁与磁场能够互相产生对方（磁生电，电生磁）。
电场和磁场结合起来才能满足狭义相对论，因此电场和磁场本质上是同一种东西，在不同的参考系里有不同的表现形式。（1864年，麦克斯韦将磁学与电学用麦克斯韦方程统一起来，并将磁力与电力统称为电磁力）
我们在日常生活中所见到的物理现象，除了引力之外，几乎全都可以用电磁力来解释。
譬如，你之所以能安稳地坐在椅子上，全是拜电子的排斥力所赐。
而分子与分子之间之所以能稳定地结合，例如水之所以是水，而不是像米老鼠一样的小颗粒，则是拜电吸引力之赐。
此外，气球之所以会黏在墙壁上，则是因为静电力的关系。
同时这也是所有化学现象的基础。
水分子们电磁力有点像是打网球，节奏比许多球类运动都快，毛绒绒的绿色网球虽然小，却蕴藏了很大的能量。
不过中性的粒子不能参加网球比赛，因为中子把网球拍忘在妈妈家里了（中子不带电，显中性）。
前面讲过，粒子间的力就像球赛，但球赛要好玩，还需要一个关键：球！想想看，若是没有球，网球赛不过就是两个人在瞎挥球拍，同样的道理也适用在这。
在电磁力的网球赛中，那颗相对于绿色毛绒网球的粒子，负担媒介功能的，称为光子，光子没有质量，并以光速前进。
你或许还有一个问题：引力和电磁力，究竟哪一股力量比较强？
答案是电磁力，而且在引力与电磁力的比拼之中，电磁力不仅仅是小胜几分，而是大获全胜。
两电子之间的电磁（库仑）斥力，比两者间的引力还要大10^40倍。因此，当我们探讨属于原子或规模更小的尺度时，则几乎可以完全忽略引力的影响
Chapter3强作用力
原子核由带正电的质子和不带电荷的中子组成，它们聚集在约10^-15m的区域内（打个比方：把原子核的宽度与你的身高相比，就好像比较你的身高与你到半人马座α星之间的距离4.37光年一样）的范围内，我们以氦原子为例，它有两颗中子和两颗质子组成，根据上面的所说，两颗质子应该会被极强的电磁（库仑）斥力给炸开，可是为什么没有呢？
这是氦原子中间两个黄色的便是中子，红色的是质子，它们四个组成了氦原子核（α粒子）
根据库仑定律：真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力同它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比
科学家们发现，核子之间存在一种能压服库仑斥力的强相互作用力，而使质子和中子紧紧结合在一起的则是核力。核力是质子与中子交换介子（一种传递力的的基本粒子）而产生的。
强力是短程力，在原子核的尺度内强力比库仑力大得多，核子（是质子、反质子、中子与反中子的总称，是组成原子核的粒子。它们由夸克和胶子组成）间的距离大于2×10^-15m时，强力很快下降消失，核子间的距离在1×10^-15m~2×10^-15m之间，核力表现为吸引力，小于1×10^-15m又表现为斥力，且随距离的减小斥力迅速增大。
强力对维持稳定的原子核有重大的作用。Emmmmmmmm，好像没有一类球类竞赛能比较贴切地比喻强作用力，因为强力比较像是使两个同极磁铁靠近但是让它们不发生排斥的力。
如果从力的性质来看，强作用力更像桌球，桌球比赛场地很小，但对打却很激烈，而且只有夸克以及由夸克所组成的质子和中子才能参加比赛。
请继续让我使用运动竞赛的这个在这里看起来比较扯淡的比喻，强相互作用力之间的那颗“球”是一些称为胶子的规范粒子。
这是一颗质子，里面的白色波浪线是胶子u是上夸克，d是下夸克
夸克（英语：quark，又译“层子”）是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。
Chapter4弱作用力
之前我们在上面介绍强作用力的时候提到，由于自然界存在某些现象无法用引力和电磁力充分加以解释，因此必须用强作用力解释，而现在，也有一种现象无法用引力和电磁力解释：即是中子的衰变。
中子的衰变
在原子核外，自由中子性质不稳定，寿命约为15分钟。中子衰变时释放一个电子和一个反中微子而成为质子（β衰变）。同样的衰变过程在一些原子核中也存在。原子核中的中子和质子可以通过吸收和释放π介子互相转换。
其中起作用的就是弱相互作用力，它是由W及Z玻色子的交换（即发射及吸收）所引起的，由于弱力是由玻色子的发射（或吸收）所造成的，所以它是一种非接触力。这种作用力能使中子衰变成质子、电子与中微子或反电子中微子。例如，考古学上经常用放射性碳定年法（即碳14测年）来确定样品的大概年代。碳14在弱力作用下可转变为氮14。
碳14在弱作用力下转变为氮14
弱作用力的游戏很像健身药球，这是个近身，低冲击，需要做训练，而且看起来好像无聊得要命的游戏，为什么无聊呢，原因就在药球本身，“药球”（W及Z玻色子）相当重，即使是那种留着八字胡的健身肌肉男，也无法把球丢远。
那谁有资格玩弱作用力球赛呢？夸克，中微子，电子都有，但尽管这些粒子都能参加，但如之前提过，这个比赛步调相当缓慢，也不会发生什么大事。
健身药球
科学家们所期望的大统一理论是什么？
让我们回到本篇推送开头的那张图~
长期以来，物理学家一直在努力用尽可能少的基本力来解释看上去完全不同的现象。实现力的统一，只用一种力来解释所有的物理现象是物理学的终极目标。
理论上，宇宙间所有现象都可以用万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力这四种作用力来解释。通过进一步研究四种作用力之间联系与统一，寻找能统一说明四种相互作用力的理论或模型称为大统一理论。
早在20世纪20年代，著名物理学家爱因斯坦就致力于寻找一种统一的理论来解释所有相互作用，也可以说是解释一切物理现象，因为他认为自然科学中“统一”的概念或许是一个最基本的法则。
从30年代提出相对论后不久，爱因斯坦就着手研究“大统一理论”，试图将当时已发现的四种相互作用统一到一个理论框架下，从而找到这四种相互作用产生的根源。
这一工作一直到他1955年逝世为止，并几乎耗尽了他后半生的精力，而且统一思维与当时物理学界的主流思想不符，以致于一些科学史学家断言这是爱因斯坦的一大失误。
现在，出现的超弦理论，其目的是统一这四种基本力，它被认为是最有希望把四种力统一在一起的理论。
超弦理论认为，所有的基本粒子都是由极其微小的弦组成的，基本粒子的性质因弦的振动方式不同而不同。
但是目前超弦理论尚不完善。
如果找到大统一理论这一终极目标能够实现的话，或许可以揭示宇宙进化的历史，甚至弄清楚宇宙诞生的机制！
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