力到底是个什么东西?

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力到底是个什么东西?

图片:Sch?ferle / CC0

子乾,兴趣使然的科普

咦,力还真的是个东西!

那么有的小朋友要问了,力是个什么东西呢?

我想了一下,力就是下面这个球:

不过严格地说,「力」是「相互作用」在低能下的近似表现。

完整的相互作用是非常复杂的,但是当考虑的能量是我们日常生活的能量的话,这些复杂的相互作用就会退化到经典的理论,比如牛顿万有引力定律,以及电荷之间的库仑定律。为了方便,下文中不严格区分「力」与「相互作用」。

目前,已经发现了四种力:

而这四种力的成因在微观上可以分为两类:

  1. 通过基本粒子(中间玻色子)交换产生力。电磁相互作用、弱相互作用以及强相互作用,这三种就是通过交换基本粒子产生的,比如电磁力就是通过交换光子,强相互作用通过交换胶子;
  2. 空间弯曲影响物质的运动,产生力的效果。这个就是万有引力在广义相对论中的解释。

1、通过基本粒子(中间玻色子)交换产生力

这一点可以从目前的粒子物理标准模型看出来。标准模型中的粒子如下图所示:

粒子物理标准模型

在粒子物理标准模型中,宇宙中的物质(不包含暗物质)是由费米子构成的,费米子之间的相互作用是通过交换中间玻色子产生的的。费米子包括:夸克、电子和中微子;中间玻色子包括:光子、W/Z 玻色子、胶子。

光子传递电磁相互作用;W/Z 玻色子传递弱相互作用;胶子传递强相互作用。

用具体例子来说:

  • 夸克与夸克之间通过交换胶子形成质子或者中子,表现出来就是夸克通过强相互作用结合在一起;
  • 电子和原子核通过交换光子形成原子,表现出来就是通过电磁力结合在一起。

所以,基本粒子中的费米子的作用是构成物质,玻色子的作用是传递力。

从这个角度来说,(电磁、弱、强)力和物质一样,都是基本粒子(表现出来的)!

但是,有的物理学家进一步思考,能不能把上图中费米子和玻色子统一起来,或者说「物质与力统一起来」,就提出了所谓的

超对称理论!

超对称理论认为标准模型中的每一种玻色子都有一对应的费米子,每一种费米子都有对应的玻色子,这些粒子被称为超对称粒子。由于对称性破缺,超对称粒子变得很重,要想发现这些粒子,需要更高的能量。如果在实验上能发现这些粒子,就是真正的「物质与力的统一」。然而遗憾的是,到目前为止也没有任何实验发现这些理论上的超对称粒子。不过也有人很乐观:

至少我们已经发现了一半!

经过理论计算可以得出,这些玻色子传递的相互作用,在能量比较低的情况下,就会退化到经典的力。比如说,电子电子之间的电磁相互作用在低能下就会退化到经典的库伦定律。即:

2、空间弯曲影响物质的运动

对于引力,在广义相对论中,物质(能量)会使空间变得「弯曲」,而物质之会沿着空间中的「直线」运动。如果空间弯曲了,那么「直线」也会变弯,因此,物质就会沿着弯曲的路径进行运动。

但是有了粒子物理中「力是通过中间玻色子得到的」这一思想,物理学家也自然地会设想,在考虑量子化的情况下,引力是通过交换引力子来产生的!

然而遗憾的是,目前也没有任何实验直接探测到引力子。所以引力子这个东西到目前为止还只是理论或者说是假设。

同样的,广义相对论在低能下也可以退化到经典的牛顿万有引力定律:

3、总结

虽然很多概念还之是理论上的假设,但是物理学家比较倾向于:

力还真就是个东西!主要有四种:

光子、W/Z 玻色子、胶子、引力子(未被发现)

具体的说,就是通过交换中间玻色子来传递力。

现在在回过来头看看开头的动图:

是不是瞬间就看懂了!

所以对于题主的提问,我想对题主说:

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