■ 邢志忠 / 文

引言：《科學(xué)世界》2016年第7期的主打文章仍舊來(lái)自大名鼎鼎的村山齊，這次他談的是自然界的四種基本相互作用力。于是我老人家依舊為這篇大作寫(xiě)了卷首語(yǔ)。這些年我看著與我年紀(jì)相仿的村山教授英語(yǔ)越說(shuō)越棒、口才越來(lái)越好、躋身世界級(jí)科學(xué)家的行列，對(duì)他還是非常欽佩的?？茖W(xué)界需要各種英才，能夠把最深?yuàn)W的東西用最顯淺的語(yǔ)言講明白的人，都算大師級(jí)的。

卷首語(yǔ)：力——自然界的四種基本相互作用

為什么月亮得以圍繞地球作周期性的運(yùn)動(dòng)？為什么攜帶相反電荷的物體彼此吸引？為什么太陽(yáng)會(huì)發(fā)光發(fā)熱？為什么不帶電的中子與帶正電荷的質(zhì)子可以結(jié)合在一起形成穩(wěn)定的原子核？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，諸如此類的自然現(xiàn)象之所以發(fā)生，原因在于其背后隱藏著四種基本的相互作用，它們分別是引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力。《科學(xué)世界》本期推出了主打文章“村山齊博士闡述四種基本力”，旨在探討支配宇宙萬(wàn)物如何運(yùn)作的這四種力的典型特性及其相關(guān)的未解之謎。

在物理學(xué)的早期發(fā)展過(guò)程中，人們?cè)詾槲镔|(zhì)之間的相互作用是直接和瞬時(shí)的，即力的傳遞不需要任何媒介，也不需要任何時(shí)間。這種“超距”作用的觀點(diǎn)隨著狹義相對(duì)論的提出而遭到越來(lái)越多的質(zhì)疑。1905年，愛(ài)因斯坦建立了超越牛頓力學(xué)體系的嶄新時(shí)空觀，他明確指出真空中的光速是一切相互作用（包含能量或信息的傳遞）傳播速度的極限，因此排除了所有物理過(guò)程中瞬時(shí)超距作用的可能性。1935年，28歲的日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)（Hideki Yukawa）估算出力的傳播子質(zhì)量M與力的有效作用距離R之間存在一個(gè)簡(jiǎn)單的反比關(guān)系：

其中MeV代表兆電子伏，是能量或質(zhì)量的單位，而m代表米，是距離的單位，并由此預(yù)言了在原子核之間傳遞強(qiáng)核力的pion介子的質(zhì)量應(yīng)該大致在100MeV的量級(jí)，后者果然在1947年的宇宙線實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)。這是湯川教授發(fā)表的第一篇學(xué)術(shù)論文，但卻使他一炮而紅，榮獲了1949年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

迄今為止，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)自然界至少存在四種基本相互作用，它們的強(qiáng)度可以用無(wú)量綱的數(shù)字近似地表征。最強(qiáng)的是強(qiáng)核力，它是短程力，只在原子核的尺寸范圍內(nèi)起作用。強(qiáng)相互作用既可以把夸克結(jié)合在一起形成質(zhì)子或中子，也可以將質(zhì)子和中子結(jié)合起來(lái)形成原子核。在夸克層面，傳遞強(qiáng)相互作用的基本粒子是膠子；但在核子層面，強(qiáng)核力的有效傳播者就是湯川教授所預(yù)言的pion介子。第二類相互作用是人類最熟悉的電磁力，它是長(zhǎng)程力，它的有效作用距離（力程）可以被看作是無(wú)窮大，但它的強(qiáng)度要比強(qiáng)核力小上百倍。電磁力的傳播子是人們?cè)谌粘Ｉ钪形ㄒ荒軌蚯猩砀惺艿狡浯嬖诘幕玖Ｗ印庾?。弱核力是?dǎo)致某些原子核發(fā)生衰變的超短程力，它的作用距離比強(qiáng)核力小近千倍，而它的強(qiáng)度更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁力的強(qiáng)度。但自然界中強(qiáng)度最弱的其實(shí)是引力，盡管它的有效作用距離可以無(wú)窮大，但它在原子或原子核的相互作用過(guò)程中弱到完全可以忽略不計(jì)的程度。給定各種力所起作用的范圍，湯川的近似公式可以被用來(lái)估算它們的傳播子的質(zhì)量，并由此得出光子和引力子沒(méi)有質(zhì)量，只能以光速傳播的有趣結(jié)論。不僅如此，傳遞弱核力的三類玻色子的質(zhì)量大致相近，都在100GeV附近，也符合實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。

值得一提的是，有人認(rèn)為“上帝粒子”希格斯玻色子H所傳遞的“湯川力”既然可以賦予若干基本粒子以質(zhì)量，因此它或許可以被當(dāng)作“第五種力”來(lái)看待。但上述基于湯川近似公式所做的估算表明，出現(xiàn)在電弱統(tǒng)一理論中的希格斯粒子確實(shí)具有和W或Z玻色子差不多的質(zhì)量，屬于弱核力的范疇。另一方面，在夸克層面上傳遞強(qiáng)相互作用的膠子沒(méi)有靜止質(zhì)量，這似乎與湯川的近似公式相矛盾。村山齊博士告訴我們，這是由于強(qiáng)核力具有一種被稱作“漸近自由” （asymptotic freedom）的奇特性質(zhì)，類似于橡皮筋或彈簧：夸克之間的距離越大，彼此的吸引力就越強(qiáng)，強(qiáng)到科學(xué)家永遠(yuǎn)無(wú)法分離出單個(gè)夸克的程度；而一旦夸克之間的距離趨近于零時(shí)，它們就如同自由粒子一樣，相互作用變得微乎其微。

同樣激動(dòng)人心的是發(fā)生在太陽(yáng)中心的核聚變過(guò)程，后者產(chǎn)生了大量能量，其中一小部分到達(dá)太陽(yáng)表面后，再傳遞到地球，使得一切生命都沐浴在光和熱之中。但若要相信人類無(wú)法企及的太陽(yáng)內(nèi)部真的發(fā)生了諸如此類的奇妙反應(yīng)，你必須想辦法證明核聚變的另一產(chǎn)物——與弱核力相伴而生的中微子——也到達(dá)了地球。這正是美國(guó)科學(xué)家雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis）在1968年所做的事情：他發(fā)現(xiàn)了來(lái)自太陽(yáng)中心核聚變所產(chǎn)生的中微子，由此揭開(kāi)了中微子天文學(xué)的序幕。

本文已正式發(fā)表于《科學(xué)世界》2016.7。