為什麼宇宙會有四種基本力?它們能夠統一嗎?未來之路很艱辛

2021-01-15 探索宇宙說

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

138億年前,一個神秘的奇點發生了大爆炸,大爆炸瞬間產生的超級能量轉化為基礎的粒子,又很快演化為氫,氦,鋰等基本元素。

這些基本元素隨著宇宙的不斷膨脹,又開始進行各種演化,形成了恆星,行星,星等各種天體和宇宙結構。同時還有各種宇宙法則形成。有了行星之後,一小部分小行星演化出了完美的生態系統,於是生命誕生了。

生命又經過不斷的進化演化,最後誕生了智慧生命,並一步步發展為智慧文明。這一切是如此的不可思議,那麼宇宙誕生以來的這一切演化是如何進行的?它們的背後到底是誰在操控這一切?

在人類沒有走進科技時代之前,人們對於科學基本一無所知,那個時候對於自然界的一切現象,對這個世界的形成,人們將其歸於神創。古人認為是神創造了這個宇宙,創造了宇宙的一切,制定了宇宙的各種法則。

可是當人類走進科技時代之後,我們有了科學的力量,才能夠初步窺探到大自然背後的一些真相。自然界的風雨雷地,四季變換,人們在快速前進過程中產生的阻力,產生的發熱現象等等,這一切都可以用科學來解釋。

大自然中的一切都逃脫不了科學的範疇,它們的背後並沒有神,而是科學背後的法則來主導著這一切。而科學的核心也是各種法則,也就是我們通常所說的四種基本力。它們分別是引力、電磁力、強核力和弱核力。

大自然的一切現象和規則都是由這四種基本力來主導進行的,而宇宙中的一切演化其實也是由這四種基本力來進行。可以說我們研究探索科學,其實就是在研究這四種力,曾經有科學家稱科學的終點是神學,其實這種說法某種程度上也是正確的。

當我們完全掌握了四種基本力之後,大自然中的一切就由我們來掌握,宇宙中的一切奧秘也就不再神秘,通過四種基本力,我們可以操控宇宙的一切,那個時候人類就是宇宙之神。

在四種基本力中,引力是我們最為熟悉的,人類走進科技時代之後,科學家最先探索研究出來的也是引力。牛頓的萬有引力定律就是對引力的一個基本說明。我們生存在地球上,能夠自由行走而不是漂浮在空中,就是因為地球引力的作用將我們牢牢與地球大地綁定在一丐。

引力跟物體的質量有關,質量越大,引力越大。太陽系八大行星之所以能夠保持穩定,能夠穩定運行在太陽周圍,就是因為太陽的質量佔到了整個太陽系質量的99.86%,從而產生了一個對太陽系而言,絕對佔據主導地位的強大引力。

電磁力是繼引力之後,科學家第二個探索研究發現的自然之力,它是現代人類生活中一切便利的源頭。我們現在的大部分電子產品,包括電,光,計算機,電視,手機,網絡等等都是電磁力的相關應用。

而在自然界中的電閃雷鳴,雷暴天氣等這些讓我們感到恐懼的自然力量,同樣是由電磁力主導的。而決定電磁力強弱的是粒子的電荷,電荷越多越強,那麼電磁力就會越強,這一點跟質量決定引力強弱非常相似。

除了以上的引力和電磁力我們比較熟悉,並且已經得到了廣泛的應用之外。強核力和弱核力這兩種基本力,人類了解得就比較少了,這兩種力是微觀世界探索的重要渠道,它們是作用在原子核中的力。

我們都知道,在我們眼裡的宏觀世界背後還站著一個微觀世界,而微觀世界的神秘和強大遠遠超出我們的想像。微觀量子力學世界中,有很多的現象是顛覆宏觀理論的,雖然微觀世界非常神秘複雜,但是它們仍然沒有逃脫科學的範圍,沒有逃出四種基本力的範圍。

強核力和弱核力是探索微觀世界原子層面的重要保障,科學家在研究過程中發現,粒子一旦超過亞原子尺度之外,這兩種力就會完全失去作用。所以,探索研究這兩種力,我們只能在微觀世界中進行,這也是它們相較力引力和電磁力發現較晚並且研究更困難的原因。

強核力通過膠子將夸克束縛在質子和中子內部,又將質子和中子緊緊「捆」在一起填充進原子核。弱核力貌似要簡單一些,目前科學家發現它僅是支配著某些形式的放射性衰變。

引力各電磁力我們可以從宏觀方面進行研究探索,更容易找到突破點,並將它們應用在人類文明的科技發展事業上。而一旦走進微觀量子世界,我們想要探索就非常困難了,所以強核力和弱核力,人類還只是處於初級的探索階段。

可能有人會說了,強核力和弱核力是微觀層面的兩種力,那們它們的威力應該是小於引力和電磁力的,事實真的如此嗎?如果你這麼認為,那就大錯特錯了。

事實上四種基本力中,引力是最弱的,其次是電磁力,而強核力和弱核力遠遠強於它們。在相同的實驗條件之下,強核力比弱核力強10萬倍、強核力比電磁力強100倍、電磁力比引力強100億億億億億倍(10^42倍)。

正是由於強核力和弱核力的能量級別如此強大,所以科學家一直在積極研究這兩種力,期望能夠讓它們成為人類發展的強大助力。要知道,人類文明能否升級,成為更高級的文明,主要還是能源科技是否能夠發展質變。

而能源科技想要實現重大突破, 我們就需要探索研究出更強大的能量。強核力和弱核力無疑是人類期望能夠得到的力量,可惜想要探索這兩種力的奧秘並沒有我們想像的那麼簡單。

除了探索研究四種基本力的奧秘之外,科學家更期望的是能夠將這四種力進行統一,形成一個統一的理論指導和公式。人類最早發現研究的是引力,然後是電磁力,而這兩種力直到目前,科學家也沒有完成統一。

如果我們能夠將這兩種力完成統一,形成一個統一的理論,那麼人類文明就能夠實現一次巨大的飛躍,科技也將迎來翻天覆地的變化。這還只是兩種力的統一,如果人類實現了四種力的統一,形成了一個統一的理論來管理四種力,那人類文明會強大到何種程度是我們無法想像的。

前面我們說過,宇宙是由四種基本力來主導的,四種力的作用下,宇宙完成了一系列的演化,有了現在浩瀚神秘的宇宙世界。我們感覺宇宙複雜而神秘,那是因為我們還沒有完成四種力的統一,如果將它們統一了,宇宙在人類面前可能也就沒有了秘密,那個時候整個宇宙有可能就是人類的後花園。

由此可見,四種基本力的統一對於人類的意義有多麼的巨大,既然這麼重要,說明要統一這四種力的難度遠超我們的想像。上個世紀偉大的科學家愛因斯坦在生命的最後30年,一直在試圖找到統一四種基本力的方法,可惜最終也未能成功。

進入了21世紀,科學家同樣在積極探索四種基本力,一步步想要找到統一它們的方法。統一四大基本力會成為21世紀科學家面臨的最重要挑戰,這種挑戰能夠成功嗎?

其實成功的可能性非常小,21世紀人類能夠將四種力的研究更上一層樓已經是非常了不起的成就。尤其是在強核力和弱核力的研究探索上更是需要一個質的突破。而統一四種基本力這樣的偉大目標,對於人類來說還太遙遠,它不僅需要我們付出更多的努力,而且還需要時間的沉澱,科學的沉澱。

只要時間積累到一定程度,人類的科學沉澱到一隻程度,我們才有希望真正統一四種基本力,而那個時候,人類就是宇宙的高級文明,而目前我們還只是處於0.7級,連一級文明都算不上。

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  • 什麼是四種基本力,在宇宙中起到了什麼作用?
    迄今為止物理學家們已經發現了宇宙可見物質中全部的四大基本力,所有觀察到的物理現象本質上都能用四種基本相互作用力得到描述和解釋。也正因為如此,無數物理學家們渴望把四種基本力綜合到一起,成為一個完善的物理學終極理論,也就是愛因斯坦晚年致力於的「大統一理論」由於我們的宇宙是由微觀粒子構成的,因此粒子之間的萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力決定了宇宙中的一切,相比其他三個基本力,引力是我們最為熟悉的,但它卻是最弱的力,日常生活中的小質量物體之間的引力作用基本忽略不計也感覺不到,但在天體運行中可以清楚的感覺到引力的存在以及帶來的影響
  • 啥叫四種基本力,質子帶正電本來相斥,為啥卻粘在一起?
    先簡單說說四種基本力。自從牛頓發現了萬有引力定律,隨著科學研究的深入,發現這個世界的一切不外乎受四種力的約束,即萬有引力、電磁作用力、強力、弱力。這樣,每個原子理論上說,帶負電的電子與原子核就一直有相互吸引到一起的趨勢。至於它們為什麼沒有吸在一起,而且還有一個很大的空間,有解釋是由於電子的能量動量,才讓原子運動形成一個平衡,才讓原子呈現穩定的中性。現代量子力學不確定性原理對這種解釋並不認同,我們這裡不展開說。但原子核中的質子帶正電,具有相互排斥的庫侖力是沒有異議的。那麼是什麼力讓它們束縛在一起呢?
  • 誰統一了兩種基本力?
    在自然界中,已知的四種基本力分別是無論是蘋果落地,還是吸附在冰箱上的磁鐵,都是它們在發揮著作用。相比而言,弱力和強力也許沒有那麼為人熟知,這兩種力都是短程力,不像電磁力和引力有無限大的作用範圍。弱力支配了粒子的衰變,在太陽的核聚變反應中扮演著重要的角色;強力則將構成質子的夸克緊緊地束縛在一起。
  • 誰統一了兩種基本力?
    在自然界中,已知的四種基本力分別是:電磁力、弱力、強力和引力無論是蘋果落地,還是吸附在冰箱上的磁鐵,都是它們在發揮著作用。相比而言,弱力和強力也許沒有那麼為人熟知,這兩種力都是短程力,不像電磁力和引力有無限大的作用範圍。弱力支配了粒子的衰變,在太陽的核聚變反應中扮演著重要的角色;強力則將構成質子的夸克緊緊地束縛在一起。
  • 普林斯頓大學物理系學霸對四種基本力的介紹
    >我們每天經歷的所有力都可以歸結為四個基本的力:引力、弱核力、強核力和電磁力,它們支配著宇宙中發生的一切。一個大物體在時空中的作用有點像一個放在紙中間的大球,它會讓紙變形,並導致紙上其他更小的物體向中間下落。雖然萬有引力將行星、恆星、太陽系甚至星系聚集在一起,但它卻是最弱的基本力,尤其是在分子和原子尺度上。把一個物體從地上提起來或者往上跳等動作都在抵消整個地球的引力。在分子和原子水平上,引力相對其他基本力來說幾乎沒有影響。
  • 自然界中四種基本力
    大自然中有四種不同的「力」,除了最廣為人知的引力和電磁力之外,還有兩種是「強力」和「弱力」,這四種目前發現的基本作用力,宇宙中已知的一切,都由它們主宰。引力相互作用作用,在宇宙的大尺度上無處不在,它是刻畫星體運動的基本規律,比如大家熟知的太陽、地球和月亮之間的關係;當然,從大的行星運行到微小的蘋果墜落,引力之存在,與生活息息相關。
  • 引力不是四種基本力中最弱的嗎,為什麼感覺是最重要的呢?
    引力雖弱,但的確是最重要的,因為大家整天喊著的跨越高維度宇宙,引力就是關鍵的鑰匙。可以這樣說,引力關係著人類文明未來的生死存亡。四種基本力的由來牛頓之前,可沒有四種基本力這種說法,這還得回顧一下物理學小小的發展歷史。物理學從伽利略牛頓開始,最後由麥克斯韋把電學和磁學合二為一,把當時所有理論歸於一統。這就是「經典物理學」,也是物理學的黃金時代。