簡單說物理系列S之二：四種基本作用力

「奇點」又是怎麼來的？先不論是否由高維生物製造的，因為我們不得而知，如果只能從物理規律方面來討論的話，可以從物質的漲落及熵的漲落來得到啟發。在我們的宇宙中，即便是真空中也會突然誕生一對正反粒子，然後再快速泯滅。而霍金所謂的「黑洞輻射」就是受到這個啟發，黑洞邊緣誕生的正反粒子中，反粒子被吸入黑洞，從而致使正離子逃離黑洞，由此產生了黑洞輻射。而熵也會漲落，我們有序的低熵世界可能就是這麼漲落而來的。那麼既然這樣，奇點也就可能是從「虛無」中漲落出來的。虛無中什麼也沒有，但是突然就這麼漲落出來了一個由正質量物體組成的正奇點，和一個由負質量物體組成的負奇點，於是乎這兩個奇點都各自爆炸，誕生了各自的宇宙。這意味著宇宙中可觀測部分（以任何方向測量 465 億光年之區域）在膨脹結束後，恆星與行星形成。這個「永恆宇宙膨脹」的說法消除了古典和量子物理之間的分離，即使現在還無法自洽，但在還沒有更好的理論前，普遍為世人所接受。

在弦理論還沒被提出時，物理界有兩大重要理論，分別是愛因斯坦提出的相對論，及量子力學的建立。看似兩者都說的在理，但量子力學描述的是微觀世界的現象與規律，在量子力學中的萬有引力是小到完全可以忽略；反觀廣義相對論涉及到宏觀世界的物理運運，包括了空間扭曲所產生「引力」這種現象，但兩者卻是指同一件事。所以在科學家對於宇宙大爆炸爭論不休時，量子力學與廣義相對論的矛盾就出現了，這時候弦理論就出場了。

弦理論假設 A 方式振動那麼會出現頂夸克，以 B 方式振動會出現底夸克，以 C 方式振動會出現光子等。弦的振動產生了微觀粒子，微觀粒子又構成了世界，並且弦的振動是一種能量到實體物質的轉化，我們無法捕捉到弦，就像我們無法實際捕捉到「能量」。在超弦理論中，萬物的本質只是振動的能量而已。好處是在弦理論還沒出來以前，人類對於維度的探索僅止於四維，弦論誕生後讓人類認知的維度變成了十維空間加上一維時間。所以在原有的三維空間里無法實現四個基本作用力的大統一，直到提高到了十一維空間，才有機會統一，從而解決了量子力學和相對論之間的不自洽。

話說回來，什麼是四大基本作用力呢？前面提到宇宙大爆炸可能是四大基本作用力的根源，在宇宙剛剛誕生時，支配宇宙的作用力僅有一種，這種作用力和我們所說的「重力」類似。其後，這種作用力也隨著宇宙膨脹一同進化，逐漸地分化成四種作用力，電磁力、重力、強力及弱力。

重力或簡稱為萬有引力，此交互作用是四個基本交互作用中最弱的，但作用範圍則是無窮遠的距離，稱之為長程力。但當距離增大，重力交互作用的影響力就會遞減，假設兩物件的質量分別為 、 ，相距的距離為 r ，其作用力的大小則可以表示為 ，其中 ，稱之為萬有引力常數。又重力可以廣泛地作用於所有的物質，故稱為萬有引力。

電磁力存在於電荷之間，此作用力相當的強，而作用範圍亦是無窮遠的距離。若現有兩電荷，分別帶有電量 、 ，相距的距離為 ，則其作用力的大小可表示為 ，其中 ，稱之為庫倫靜電力常數。

強交互作用是作用於原子核之間的力，此交互作用是四個基本作用力中最強的，其作用距離則是四個基本作用力中第二短的，是一種短程力，作用範圍大約 。原子核間的核力就是強交互作用，它抵抗了質子與質子、中子與中子及質子與中子之間的強大的電磁力，用來維持了原子核的穩定。強交互作用比其他三種基本作用有更大的對稱性，也就是說，在強交互作用中有更多的守恆定律。強交互作用不像重力和電磁交互作用那樣是長程力而是短程力，雖然在原子核內的強交互作用力強度很大，但一旦作用範圍大於原子核外，其力的大小則會瞬間遞減。

弱交互作用，俗稱弱核力，亦是存在於原子核內部的一種作用力，屬於短程力的一種，作用的範圍約為 ，此交互作用力的大小僅次於重力交互作用。此交互作用力最早為原子核的 β 衰變，涉及到微中子的反應。而實際上有兩種弱交互作用，一種是有輕子（如電子 e，微中子 ν，μ 子以及它們的反粒子）參與的反應，如 β 衰變， 子的衰變以及 π 介子的衰變等；另一種是 K 介子和 Λ 超子的衰變。

要怎麼分辨這幾種作用力呢？簡要地說，「電磁力」作用於帶有電荷的物體之間，擁有相同電荷的物體間會互相排斥，不同電荷則會互相吸引，而帶電粒子指的就是第一節談到的質子與電子；「重力」則無論兩個物體距離多遠，都會受到彼此重力的作用，但在原子或分子等級，與其它三種作用力比較就小多了；「強力」僅作用於原子核內，之所以電磁力的排斥力沒有使原子核分崩離析，就是因為強力大於電磁力；而電子被剝離掉電荷後便會剩下相當於電子核心的中子，而在這些中子之間的作用力就是「弱力」。

根據上表可以發現，若重力為 1，則弱力為 、電磁力為 、強力為 ，這樣的對比意味著，兩個電子之間的電磁斥力比同樣兩個電子之間的引力大。引力的微弱如此驚人，致使它在粒子對或幾個粒子之間的相互作用中的影響可以忽略不計。但在四種力中我們最先加以科學研究的卻是引力，而且 Isaac Newton 建立了圓滿的數學理論來描述它。這是由於引力具有「可疊加性」——物體含有質量越大，物體的引力越強。而且引力的「作用程」又非常長，強度的減弱僅僅與到物質塊距離的平方成反比。這就是我們一開始就提到～量子力學與廣義相對論的矛盾就出現了！

這些問題都留到最後才來討論。這兩個章節我們了解了原子結構，也了解了四種基本作用力，接著，我們來討論物理思考的原點在哪裡？

Q3.地球上最重的物質是什麼？……質量數……　

A3. 質量數（Mass number）是將原子內所有質子和中子的相對質量，取近似整數值相加而得到的數值。鋨（Osmium，Os）是地球上最重的物質，相對原子質量為 190.2，是目前已知密度最大的金屬，同樣一茶匙的鋨重量大約是鉛的兩倍，通常用作電觸點和鋼筆筆尖的合金。之所以把這個問題放在這個章節，就是想以後來探討質量數與四大基本作用力有什麼關係？

註：

由於宇宙的膨脹，可觀宇宙的半徑並非是固定的 138 億光年，人類所觀測的古老天體當前的距離比起其原先的位置要遙遠得多。現在據推測可觀宇宙半徑約為 465 億光年，直徑約為 930 億光年。

程亦之：為什麼宇宙年齡138億年，宇宙直徑卻有930億光年？?

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