引力、電磁力、弱核力、強(qiáng)核力----四種已知自然力都有屬于自己的獨(dú)特位置

質(zhì)子由三個(gè)夸克構(gòu)成。每個(gè)夸克都有自己的“色荷”。它們由強(qiáng)核力結(jié)合在一起

引力、電磁力、弱核力、強(qiáng)核力----四種已知自然力都有屬于自己的獨(dú)特位置，每一種力都在我們的生活中掌管著一片小天地。雖然地球上是引力、光的電磁力在日常生活中發(fā)揮主要作用，但兩種核力也扮演了關(guān)鍵角色——只不過(guò)作用尺度非常、非常小而已。

有多小呢？想象你的身體膨脹到了整個(gè)太陽(yáng)系那么大，你的雙手在奧爾特云中搖擺，八大行星則飄在你的肚臍上方。你的身體太過(guò)龐大，電信號(hào)要花上幾周、甚至數(shù)月時(shí)間，才能穿過(guò)你的整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)。即使做再簡(jiǎn)單的手勢(shì)，動(dòng)作也極其緩慢。

這就是你現(xiàn)在的大?。ù蟾乓幻锥啵┡c10^15米之間的差距。

現(xiàn)在讓我們反過(guò)來(lái)想。想象一個(gè)極小的尺度，對(duì)這個(gè)尺度而言，你的身體就像太陽(yáng)系那么大。在這個(gè)尺度看來(lái)，你的動(dòng)作也慢得不可思議。這個(gè)極小的尺度單位名叫“費(fèi)米”（femtometer），相當(dāng)于10^-15米。而這就是原子核的尺度。

質(zhì)子內(nèi)部

從我們的視角來(lái)看，很容易把質(zhì)子想成一個(gè)單獨(dú)的粒子，外面有一層由正電荷和質(zhì)量構(gòu)成的外殼，能像臺(tái)球一樣彈來(lái)撞去。但事實(shí)上，質(zhì)子由三個(gè)更小的粒子構(gòu)成，而這三個(gè)粒子有一個(gè)有趣的名字：夸克。自然界中一共有六種夸克，但就質(zhì)子而言，我們只需要關(guān)注其中兩種，分別叫上夸克和下夸克。

剛才說(shuō)到，質(zhì)子由三個(gè)夸克構(gòu)成，包括兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克。這些夸克相互結(jié)合在一起，形成一支團(tuán)隊(duì)，而這支“團(tuán)隊(duì)”就是我們所說(shuō)的質(zhì)子。

然而，這樣根本說(shuō)不通。

兩個(gè)上夸克所帶的電荷完全相同（因?yàn)樗鼈儗儆谕活惲Ｗ樱?，本?yīng)相互排斥才對(duì)，怎么能如此牢固地結(jié)合在一起呢？

此外，我們通過(guò)量子力學(xué)得知，兩個(gè)夸克無(wú)法同時(shí)處于同一種狀態(tài)，因此不可能讓兩個(gè)夸克同時(shí)以同一種方式結(jié)合在一起，也不可能讓它們以這種方式共存。然而不知何故，這兩個(gè)夸克不僅能“忍受”對(duì)方的存在，甚至似乎還很喜歡對(duì)方的“陪伴”。

到底發(fā)生了什么事情呢？

不一樣的“色彩”

上世紀(jì)五六十年代，物理學(xué)家開(kāi)始意識(shí)到，質(zhì)子并不是最基本的粒子，它還可以分解成更小的部分，所以他們開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)，并提出了多種理論。結(jié)果，他們先是發(fā)現(xiàn)了夸克的存在，然后又遇到了上述難題。

肯定有某種東西將這三個(gè)夸克結(jié)合在了一起，并且它的力量非常、非常強(qiáng)大，是一種全新的自然力。

這就是所謂強(qiáng)相互作用力。

這種假設(shè)出的強(qiáng)相互作用力通過(guò)簡(jiǎn)單的蠻力解決了夸克共存的問(wèn)題。你們無(wú)法同時(shí)處于同一種狀態(tài)，所以不愿意待在一起是嗎？沒(méi)辦法，強(qiáng)相互作用力會(huì)強(qiáng)迫你們倆待在一起，這樣一來(lái)，問(wèn)題就解決了。

此外，每一種力都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的連接點(diǎn)，就像一只鉤子一樣。這能幫你判斷這種力對(duì)你造成了多大的影響。對(duì)電磁力而言，這個(gè)連接點(diǎn)就是電荷；對(duì)引力而言是質(zhì)量；而對(duì)強(qiáng)核力而言，物理學(xué)家也得找出一種對(duì)應(yīng)的“鉤子”。最終，物理學(xué)家選定了“色荷”（color）這個(gè)詞。

因此，假如你、或者你知道的某個(gè)粒子擁有這種名叫“色荷”的性質(zhì)，你就能感受到強(qiáng)核力。你的色荷可以是紅色、綠色、或藍(lán)色（還有“反紅色”、“反綠色”和“反藍(lán)色”，因?yàn)樯囟ú粫?huì)那么簡(jiǎn)單）。要形成一個(gè)像質(zhì)子那樣的粒子，所有夸克的色荷加在一起必須為白色。因此，如果一個(gè)夸克是紅色，另一個(gè)是綠色，最后一個(gè)就必定是藍(lán)色。色荷的具體分配情況并不重要（事實(shí)上，每個(gè)夸克的色荷也會(huì)不斷變化），重要的是，所有夸克的色荷加在一起必須是白色，這樣強(qiáng)核力才能發(fā)揮作用。

有了色荷這種新性質(zhì)，質(zhì)子內(nèi)部的夸克就可以同時(shí)處于同一種狀態(tài)了。因?yàn)橛辛松?，兩個(gè)夸克就不算完全相同，畢竟它們各自的色荷不一樣。

超級(jí)強(qiáng)度

想象一下，你拿著兩把小小的鉗子，夾住質(zhì)子中的兩個(gè)夸克。你有鍛煉的習(xí)慣，所以你的力氣可以勝過(guò)強(qiáng)核力。

但強(qiáng)核力有個(gè)奇怪的性質(zhì)：它的強(qiáng)度并不會(huì)隨著距離的增大而減小。而其它力都會(huì)如此，比如引力和電磁力。但強(qiáng)核力的強(qiáng)度卻始終如一，無(wú)論夸克之間相距多遠(yuǎn)，都不會(huì)有所減弱。

因此，你要想將這些夸克掰開(kāi)，就要不停加入更多的能量，才能維持它們的分離狀態(tài)。你加入的能量越來(lái)越多，最終積累了足夠多的能量，以致于夸克之間的真空中又誕生了新粒子、新夸克……

而這些新夸克又會(huì)立即找到“小伙伴”，彼此結(jié)合到一起。你花了半天工夫，出了一身大汗，最后還沒(méi)來(lái)及把兩個(gè)夸克掰開(kāi)多遠(yuǎn)，這一切就會(huì)功虧一簣。等你以為自己總算把兩個(gè)夸克掰開(kāi)之后，它們已經(jīng)找到了新伙伴、建立起了新的結(jié)合關(guān)系。這一效應(yīng)叫做“夸克約束”，強(qiáng)核力實(shí)在太過(guò)強(qiáng)大，導(dǎo)致我們永遠(yuǎn)也不可能看見(jiàn)一個(gè)孤立存在的夸克。

而我們永遠(yuǎn)也無(wú)從得知這個(gè)夸克的“顏色”。真是遺憾。