科學家們在長時間的觀測和研究論證的過程中,逐漸將反映宇宙中物質變化和相互作用的影響因素,歸結為4種基本作用力的功勞,即萬有引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力,這4種基本作用力可以說是維持宇宙萬物運行的秩序規則,並非只有引力一種。
對於電磁力來說,這是宇宙中大部分物質所具有的一種作用力,它廣泛存在於微觀領域,是使原子核與核外電子結合在一起的重要力量,其主要表現模式為電與磁的交互作用。由於從本質上來看,無論是摩擦力、還是光線,都屬於電磁力作用的範疇,因此電磁力是我們觀察和認知這個世界最重要的媒介。
對於強相互作用力來說,又被稱為強核力。原子中質子帶正電荷、電子帶負電荷,而中子不帶電荷,這就需要在原子核中,有一個力維持著質子和中子的結合,使它們能夠牢固地聚集在一起,而強核力就提供了這樣一種功能。強核力是4種基本作用力中作用最強,但力程最短的一種力。
對於弱相互作用力來說,又被稱為弱核力。它有效保障了原子核外的電子不會在異性電荷相吸的作用下而墜入原子核內,同時又可以通過調控原子核內的質子狀態,比如將上夸克演變為下夸克即質子變為中子,或者將下夸克演變了上夸克即中子變為質子,達到穩定原子核結構的目的,而推動這種演變的驅動力就是弱相互作用力,這種力的作用雖然較弱,但仍比引力要強一些。
對於引力來說,這是我們日常生活中接觸也非常多的一種作用力,它表現在兩個有質量的物體之間有相互吸引的趨勢,這個在宏大的天體之間表現得比較突出,引力的大小與質量成正比,與距離成反比。引力是4種基本作用力中最弱的一員,同時卻是力程最遠的一個存在。
在發現4種基本的作用力之後,科學界有一個非常活躍的領域,那就是想方設法對這4種基本作用力進行統一,力圖想用統一的模型將這4種力進行「融合」,這就是大統一理論的形成背景。截至目前,科學家們已經將強核力、弱核力和電磁力已經被實驗證實可以統一成同一種相互作用,但是引力似乎非常特立獨行,仍然沒有與其它作用力進行統一的證據存在。
對於引力來說,這也是眾多不同領域的科學家在很早以前就發現存在的一種力作用形式。比如,亞歷士多德建立了一套不同質量的物體是以不同的速度下落的理論;伽利略推翻了他的結論,認為在忽略空氣阻力的情況下,所有物體在下落時的規律相同;牛頓在發現地心引力之後進一步拓展形成萬有引力定律,以數學公式的形式表達出物體之間引力的對應關係;之後愛因斯坦在狹義相對論的基礎上,提出了廣義相對論,對引力產生的原因進行了闡述,即有質量的物體對周圍空間的曲率產生影響,使時空產生彎曲,其它物體則沿著彎曲後的曲線(測地線)作著最短路程的運動。
按照統一場的理論,4種基本作用力之所以能夠形成並發揮作用,原因在於它們周圍空間存在著對應的場,而這4種力場及4種作用力,都是由於在相對應的空間中物體的運動所引發的。對於目前還沒有被統一場「融合」的引力,其究竟是何原因所產生,有兩種主要的解釋理論,其中第一個是試圖利用粒子物理標準模型,因為其它3種力都已經找到了相對應的基本粒子,比如電磁力通過光子傳遞,強核力通過膠子傳遞,弱核力通過W和Z玻色子傳遞,因此就假設在引力場中,通過「引力子」的存在來傳遞引力的作用,而這個「引力子」屬於玻色子,質量為零,運動速度為光速。但是經過這麼多年的監測努力,「引力子」都沒有找到它存在的任何證據。
廣義相對論認為,如果宇宙空間中不存在物質,那麼空間將是完全平坦的,可以用歐氏幾何描述,而如果存在物質,那麼物質就會使時空發生彎曲,就得用非歐幾何進行描述,當然宇宙中是不可能不存在物質的。愛因斯坦的廣義相對論,提出了引力產生的更深層次的原因,即時空的扭曲,並且已經被諸多實驗來驗證出空間扭曲和光線偏折的正確性,因此從目前來看,廣義相對論是對引力的產生根源的主流觀點,通過廣義相對論,愛因斯坦預測了黑洞和引力波的存在,後來都被科學家們所證實。
但是,我們仍然要看到,廣義相對論的時空扭曲,也是建立在質量基礎之上,這與萬有引力「同出一轍」,而針對質量為何會產生時空的扭曲,即這種質量效應產生的再深層次根源方面還無法進行論證,因此,即使廣義相對論取得了巨大成績,但與量子力學還是不相容,引力和電磁力相互統一的目標,始終像有一道鴻溝難以逾越一樣。因此,如何實現引力量子化,將是統一4種基本作用力、從更深層次解釋引力本質的終極目標,這將是科學家們下一步努力的方向。