說到「力」,給我們的感覺是十分平淡無奇的。在初中物理課堂上就學過基本的力學知識:我們可以用力推、拉使物體移位;可以拉伸、扭轉或者粉碎一個物體;揮動手臂用球拍將球打出去,人走路或汽車行駛會遭遇空氣阻力和路面的摩擦力,等等。在日常生活中,我們對這些「力」並不會太過介意。但這就是自然界「力」的全部嗎?遠遠不是!當我們考慮自然界的「自然力」的時候,問題就會變得複雜得多了。
想一想:蹦極愛好者從高高的平臺一躍而下向地表墜落,為什麼?磁懸浮列車漂浮在軌道上運行,為什麼?蓋革計數器接收到X射線會發出「滴答」警報,為什麼?物體可以被冷卻、加熱和燃燒,為什麼?當然,還有原子彈,一顆核炸彈可以毀滅一座城市,爆炸威力如此大,為什麼?在過去的幾百年裡,物理學家們積累了大量證據,說明了所有我們身邊尋常遇到的事物間的相互作用、以及隱秘的不同事物之間的相互作用,都可以歸結為自然界四種基本力的組合——引力、電磁力、強核力和弱核力。
引力是大家最熟悉不過的,它不但讓我們能牢固地腳踏大地,而且還維持著我們的地球不停地繞著太陽轉。兩個物體質量有多大,決定著能產生多強的引力。電磁力是除引力以外我們最熟悉的一種基本力,它是我們現代生活中一切便利的源頭,例如電、光、計算機、電視、電話等等。當然,它也常常在自然界中露出它的猙獰——雷暴天氣的電閃雷鳴。從微觀角度來說,粒子的電荷決定了電磁力的強度,就如同物體的質量決定了引力的強度類似。
強核力與弱核力大家就比較陌生了,它們是作用在原子核中的力,一旦超過亞原子尺度以外,這兩種力就會完全失去作用,這也正是這兩種力相較於引力和電磁力被發現得晚得多的根本原因。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。當然,放射性衰變對我們來說也很重要,工業上用來探傷,醫學上用來醫治某些癌症。從宏觀上來說,弱核力也是地球內部深層熱量的主要來源。
在過去的一個世紀裡,物理學家們發現所有四種力的區別極大,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)!為什麼是這四種大小強度不一的力主宰者我們的宇宙?物理學家們對此感覺到很是茫然。在微觀層次上,理論上來說每種力都應關聯著一種粒子,如膠子是強核力的載力子、光子是電磁力的載力子、弱規範玻色子是弱核力的載力子、引力子是引力的載力子。但是,前面三種載力子都已發現,偏偏就是找不到引力子!
一件事情為什麼恰好是這樣而不是那樣,看上去是一個鑽牛角尖的問題。為什麼會有四種基本力而不是五種、三種或者一種?為什麼這些力會有那麼多不同的性質?為什麼強核力和弱核力只能在微觀尺度上發生作用,但是引力和電磁力的作用範圍卻可以達到無限?為什麼這些力的強度會懸殊那麼大?還有,物理學家們已窮盡了手段,為什麼還是找不到引力子?太多問題得不到答案,現在的物理學家們只能告訴我們:只要任何一種力的強度稍微改變,我們的宇宙就不會是現在這個樣子——沒有星系、沒有恆星、沒有行星,當然也更不會有我們!
當前,物理學家們在懷疑,也許宇宙原本沒有這四種力,也許這四種力可以統一為一種單一的力,只是目前我們還沒有發現其中存在的玄機,還沒有找到破解玄機的密碼。20世紀的科學巨匠愛因斯坦在生命的最後30年一直在試圖找到這種統一的、單一的力,但臨終含恨未能成功。接下來,這也成為21世紀的理論物理學家和實驗物理學家們面臨的最重要的挑戰,他們會成功嗎?