作者：正恩
基本粒子和基本相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型。(? Contemporary Physics Education Project）
當(dāng)我們提到自然界中的基本定律時，我們可以把一切分為四種基本力，它們支配著宇宙萬物：
強(qiáng)核力：它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子中的質(zhì)子和中子束縛在一起。
電磁力：作用于帶電荷的粒子（比如電子和夸克）之間。同種電荷之間的力互相排斥，而異種電荷則互相吸引。
弱核力：制約著放射性現(xiàn)象，將較重以及不穩(wěn)定的粒子轉(zhuǎn)變?yōu)檩^輕的。
引力：在引力的作用下，地球、太陽系、恒星和星系才能夠被緊緊地束縛在一起。
宇宙中的四種基本力。它們之間的大小，如果按絕對強(qiáng)度，相信你應(yīng)該已經(jīng)猜到了哪種基本力最強(qiáng)了。（? Wikimedia Commons user Kvr.Iohith）
關(guān)于這四種基本作用力的詳細(xì)討論可查看《是什么把粒子緊緊地束縛在一起？》。今天，我們要問的是，這四種基本力哪種最強(qiáng)？這取決于你在什么尺度下問這個問題。（查看：《探索宇宙中的極限——普朗克尺度》）
一個氦原子，和原子核的大小。（? Wikimedia Commons user Yzmo）
我們先從最小的尺度（10?1?米）開始，這個尺度比一個原子還小百萬倍。但是，強(qiáng)核力在這個尺度下卻獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。舉個例子，氦原子核是由兩個質(zhì)子和兩個中子構(gòu)成，它們緊緊地被束縛在一起形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。盡管兩個質(zhì)子間存在電磁排斥，但也無法克服它們間的強(qiáng)核力作用。即使把一個中子拿走，只剩下一個中子和兩個質(zhì)子，氦的同位素也同樣穩(wěn)定。在這最小的尺度下，強(qiáng)核力毫無疑問遠(yuǎn)勝過其它的三種。因此在許多情況下強(qiáng)核力被認(rèn)為是最強(qiáng)的。
星系半人馬座A，由電磁加速引起的高能噴流。（NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.）
但是，如果原子核越來越大，電磁力就開始接管。例如，鈾-238就會經(jīng)常射出一個氦原子核，因為原子核間的排斥力太大，強(qiáng)核力無法再把它們?nèi)慷季o緊地捆在一起。在更大的尺度，比如宇宙尺度，塌縮恒星和快速旋轉(zhuǎn)的中子星產(chǎn)生的強(qiáng)磁場，可以加速帶電物質(zhì)至宇宙中最強(qiáng)的能量粒子：從天空中各個方向轟擊我們的超高能宇宙射線。不像強(qiáng)核力，電磁力是不受作用范圍限制的，一個質(zhì)子的電場甚至可以在宇宙的另一端感應(yīng)到。
一個大原子核的放射性β衰變。（? Wikimedia Commons user Inductiveload）
弱核力，聽起來就像是最強(qiáng)作用力中的糟糕候選者，但即使它相對弱也有它大放異彩的時候。在正好的情況下，電磁力和強(qiáng)核力會相互抵消，使作用非常短程的弱核力崛起。當(dāng)這種情況發(fā)生的時候，一個穩(wěn)定的系統(tǒng)就會發(fā)生放射性（貝塔）衰變，一個中子會轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€質(zhì)子、一個電子和一個反電中微子。楊振寧和李政道提出的宇稱不守恒就是發(fā)生在弱相互作用中的（參考：《從原子到萬物》）。
恒星系統(tǒng)的行星誕生。（? NASA/FUSE/Lynette Cook）
但是在更大的尺度下——在星系和星系團(tuán)的尺度——上述的三種力就顯得力不從心。盡管電磁力的作用范圍可以橫跨整個宇宙，但是它的作用也不會太大，因為正電荷（大多數(shù)為質(zhì)子）的數(shù)量和負(fù)電荷（大多數(shù)為電子）的數(shù)量幾乎相等。譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負(fù)電荷。由于單獨(dú)粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個物體之間純粹的電磁力非常小。恒星中的核聚變和產(chǎn)生的輻射壓強(qiáng)不能夠把恒星扯開，是因為引力完全克服了向外的推力。簡單來說，如果沒有引力的作用，那么星系和星系團(tuán)等就會分崩離析。
已知宇宙中最大的星系IC101。（? SDSS）
事情就這么結(jié)束了嗎？當(dāng)然沒有，如果我們往更大的尺度看，比如橫跨宇宙中的10億光年，遍布了許多的星系團(tuán)以及更大的構(gòu)造。我們再看80億、100億甚至是150億光年的尺度，事情變得令人困惑了起來，宇宙好像被一種未知的力控制了：暗能量！
大胖子星系團(tuán)（右下角），查看：《宇宙中那些詭異般存在的天體》。（? Dark Energy Camera）
在最大的尺度下，來自于空間自身的微末能量足以克服最大質(zhì)量星系和星系團(tuán)之間的引力吸引。結(jié)果就是宇宙在加速的膨脹，越遠(yuǎn)的星系和星系團(tuán)隨著時間流逝相互遠(yuǎn)離的速度也越快。
宇宙膨脹的幾種模型。（? NASA & ESA）
所以，要說誰最強(qiáng)？在最小的尺度，那無疑是強(qiáng)核力。在最高能量的情況下，由電磁力掌管。對于大尺度束縛在一起的構(gòu)造，是引力。以及更大的尺度下，是神秘未知的暗能量。就絕對的大小而言，暗能量是最弱的：它歷經(jīng)了宇宙一半的年齡后才開始顯現(xiàn)它的地位，而且直到1998年才被發(fā)現(xiàn)。但是宇宙是非常廣袤的，如果把空間中所有的體積都加起來并且展望遙遠(yuǎn)的未來，暗能量最終會統(tǒng)治一切，支配著宇宙的命運(yùn)。
現(xiàn)在，你以為事情就這樣結(jié)束了？那你就too young too simple了！因為物理學(xué)家的最終目標(biāo)是把這四種基本力都統(tǒng)一到一個框架。但是，今天討論這四種基本力，并不是為了討論統(tǒng)一理論做準(zhǔn)備，只是為了引出明天的《第五種力，是事實還是虛構(gòu)？》。
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