四种基本力是怎么作用于这个世界的?

讲科学堂


四种基本作用力,其实都不能说成“力”,应该说成“场”。首先我们熟知的引力相互作用,在广义相对论体系下,它被解释成时空弯曲,或者说成是带两个时空指标的张量场。其次是三种已经找到量子解释的相互作用,它们更不是“力”,因为在量子理论里,无论电磁相互作用还是强弱相互作用,都看做是虚粒子在起作用。它们都可以分别用带一个时空指标和一个李群指标的矢量场来描述。

电磁相互作用在宏观层面,或者说弱量子效应层面,体现为电场力和磁场力,二者作用于荷电粒子;在微观层面,则是靠电磁场的量子——光子——以及电荷的量子——电子或者其他荷电粒子(比如说质子等)——来传递相互作用的。弱相互作用和强相互作用只有量子描述,没有非量子描述,强相互作用场的量子是胶子,胶子作用于自身和夸克,夸克会因为低能态而被胶子紧紧束缚在原子核内。弱相互作用的量子是三种玻色子,它们的作用模式比较奇怪,因为这三种玻色子有质量,会导致它们的相互作用存在严重的紫外发散,一般来说需要考虑对称性自发破缺机制来消除紫外发散。但是这种消除只能在很高的能标下才能进行。当然这是粒子物理学标准模型的解释,该模型本身就存在问题,所以一些物理学者企图发展新的弱相互作用理论。

最后便是引力相互作用,前面三种相互作用是基于狭义相对论和量子理论构建起来的,但是引力相互作用是独立于狭义相对论的,目前还没有完全证明就一定不存在狭义相对论性引力,但是大部分狭义相对论引力的尝试都存在不能解释的困难或者与实验不相符合的问题,加上广义相对论被大量实验检验,因此我们似乎只有“广义相对论”这一条路可以走下去。当然,如果哪天我们发现了既符合实验观测又理论自洽的狭义相对论引力,那么广义相对论可能就要退出物理学的舞台了——目前看来这种可能性微乎其微。

广义相对论还不能给出可以自圆其说的量子理论,也就是说,我们还不能用引力子这个词语去描述引力。实验探索引力子还在持续中,如果能证明引力子的存在,那么我们就可以有把握地说,是时候建立量子引力了。