宇宙中的四种“力”
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再让我们来看看第二个问题——宇宙中的“力”。
我如果问你“力”是什么,你可能马上想到,力不就是力气、力量、力度吗?我如果问你受力的大小怎么理解,你可能会挥起拳头这么一挥,说拳头往沙包上打去,打得越狠,沙包受到的力就越大。可是,这些力都不是物理学家眼中这个宇宙中最根本的力。我们一拳打在沙包上,一个小球撞向另外一个小球,或者一颗子弹洞穿标靶,这些是动量守恒定理在起着作用。只要知道物体的运动速度和质量,就可以计算撞击后发生的一切事情。
什么才是最根本的力呢?根据牛顿定理知道,力是改变物体运动状态的作用。那么到底是什么作用在改变着物体的运动状态呢?两个小球相撞,虽然两个小球各自的运动状态都改变了,可是从整个系统的角度来看,两个小球仍然符合动量守恒,其实并没有什么“力”掺和在这起小球相撞事件中,只不过是“速度”从一个小球转移到了另外一个小球身上。
宇宙中的第一种基本的力是万有引力。你想想,我们平常所感受到的力,究其本质都是引力在起作用,比如我们每个人自身感受到的重力,就是地球对我们的引力,大气压力是空气的重力,静止在高山上的石头滚落也是引力在起作用。
接着,人们又发现了宇宙中的第二种力,那就是电磁力。两块磁铁异性相吸,同性相斥,特别是当你感受同性相斥的效应时,尤其能实实在在地感受到磁力的存在。我们看到的火车开动,电梯升降,甚至煤气灶把水烧开,这些现象究其根本,其实都是电磁力在起着作用。
除此之外,还有没有第三种力了呢?在爱因斯坦活着的时代,没有了。在爱因斯坦的时代,物理学家们发现,宇宙中一切运动的物理现象,究其根本只有两种力在起着作用——引力和电磁力。不论是什么样的运动状态的改变,研究到最后,发现归根结底是引力和电磁力的作用。
在引力方面,我们先有牛顿的万有引力公式,后有广义相对论修正了的引力公式来描述;在电磁力方面,我们有优美的麦克斯韦电磁方程组来描述。而且我们发现引力比电磁力弱得多的多。比如把一根塑料棒在头上擦两下,就能把桌上的纸片轻而易举地吸起来,也就是说在头上擦两下产生的电磁力,就远远大于整个地球对纸片产生的引力。
爱因斯坦在人生的最后三十年中,一直致力于把引力和电磁力统一到一个数学表达式中,这被称为“统一场理论(GUT)”。爱因斯坦认为如果统一了引力和电磁力,他就找到了这个宇宙中最深的奥秘,并且他坚信利用他发现的广义相对论能够找到这个统一场理论。然而,爱因斯坦苦苦追寻了30年,直到去世,也没有把这个理论堡垒给炸掉。其根本原因还在于,广义相对论这个炸药包在统一场理论这个堡垒面前,仍然显得太渺小了。在爱因斯坦之前的所有物理学家都习惯于“自大而小”地寻找理论,也就是先从最大的宏观上找到一个近似的理论,然后逐步地去修正它,使之和实验值契合得越来越精确。在后爱因斯坦时代,人们开始意识到可能这个方法根本就错了,或许“自小而大”才是根本解决之道。
在爱因斯坦死后,人类对微观世界的了解越来越多,尤其是有了威力巨大的粒子加速器之后,人类对原子的了解突飞猛进。于是,又有两种最基本的力被发现,一种叫作弱核力,它是产生物质的放射性现象的根本原因;另一种叫作强核力,这种力把质子和中子结合成了原子核。说到这个强力,看过《三体2·黑暗森林》的朋友都对那个威力无穷的“水滴”印象深刻吧,那个“水滴”又叫“强相互作用力探测器”。“强相互作用力”指的就是“强核力”,它是人类迄今为止发现的最强的“力”,它有多强,看看《三体2·黑暗森林》就知道了,保你印象深刻。
现在,上帝把这四种力摆在人类的面前,就好像是四块拼图板。上帝说:这四块拼版原本是完全没有缝隙的一个完整的正方形,我用了一种巧妙的手法把它分割成了四块,请你们人类思考一下该如何还原回去。
上帝留给了人类两道终极思考题:一道题是,用一个统一的理论解释所有基本粒子的起源和成因;另一道题目是,把宇宙中的四种基本作用力用一个统一的数学公式描述出来。
经过三千年的科学攀登,经过无数的磨难和坎坷,我们曾经掉在陷阱中几百年出不来,也曾经被困在迷宫中差点找不着出路。终于,这一天来临了——我们,这个居于银河系边缘的一个毫不起眼的太阳系中的一颗美丽蓝色行星上的两足生物,站到了上帝的面前。上帝说如果你们能解开这两道题目,那么请接受我最诚挚的敬意,从此我收回我以前的一句玩笑话“人类一思考,上帝就发笑”。
我们朝上帝微微一笑:“不论你发不发笑,我们都不会停止思考。”