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宇宙中的四種「力」

再讓我們來看看第二個問題——宇宙中的「力」。

我如果問你「力」是什麼,你可能馬上想到,力不就是力氣、力量、力度嗎?我如果問你受力的大小怎麼理解,你可能會揮起拳頭這麼一揮,說拳頭往沙包上打去,打得越狠,沙包受到的力就越大。可是,這些力都不是物理學家眼中這個宇宙中最根本的力。我們一拳打在沙包上,一個小球撞向另外一個小球,或者一顆子彈洞穿標靶,這些是動量守恆定理在起著作用。只要知道物體的運動速度和質量,就可以計算撞擊後發生的一切事情。

什麼才是最根本的力呢?根據牛頓定理知道,力是改變物體運動狀態的作用。那麼到底是什麼作用在改變著物體的運動狀態呢?兩個小球相撞,雖然兩個小球各自的運動狀態都改變了,可是從整個系統的角度來看,兩個小球仍然符合動量守恆,其實並沒有什麼「力」摻和在這起小球相撞事件中,只不過是「速度」從一個小球轉移到了另外一個小球身上。

宇宙中的第一種基本的力是萬有引力。你想想,我們平常所感受到的力,究其本質都是引力在起作用,比如我們每個人自身感受到的重力,就是地球對我們的引力,大氣壓力是空氣的重力,靜止在高山上的石頭滾落也是引力在起作用。

接著,人們又發現了宇宙中的第二種力,那就是電磁力。兩塊磁鐵異性相吸,同性相斥,特別是當你感受同性相斥的效應時,尤其能實實在在地感受到磁力的存在。我們看到的火車開動,電梯升降,甚至煤氣灶把水燒開,這些現象究其根本,其實都是電磁力在起著作用。

除此之外,還有沒有第三種力了呢?在愛因斯坦活著的時代,沒有了。在愛因斯坦的時代,物理學家們發現,宇宙中一切運動的物理現象,究其根本只有兩種力在起著作用——引力和電磁力。不論是什麼樣的運動狀態的改變,研究到最後,發現歸根結底是引力和電磁力的作用。

在引力方面,我們先有牛頓的萬有引力公式,後有廣義相對論修正了的引力公式來描述;在電磁力方面,我們有優美的麥克斯韋電磁方程組來描述。而且我們發現引力比電磁力弱得多的多。比如把一根塑料棒在頭上擦兩下,就能把桌上的紙片輕而易舉地吸起來,也就是說在頭上擦兩下產生的電磁力,就遠遠大於整個地球對紙片產生的引力。

愛因斯坦在人生的最後三十年中,一直致力於把引力和電磁力統一到一個數學表達式中,這被稱為「統一場理論(GUT)」。愛因斯坦認為如果統一了引力和電磁力,他就找到了這個宇宙中最深的奧秘,並且他堅信利用他發現的廣義相對論能夠找到這個統一場理論。然而,愛因斯坦苦苦追尋了30年,直到去世,也沒有把這個理論堡壘給炸掉。其根本原因還在於,廣義相對論這個炸藥包在統一場理論這個堡壘面前,仍然顯得太渺小了。在愛因斯坦之前的所有物理學家都習慣於「自大而小」地尋找理論,也就是先從最大的宏觀上找到一個近似的理論,然後逐步地去修正它,使之和實驗值契合得越來越精確。在後愛因斯坦時代,人們開始意識到可能這個方法根本就錯了,或許「自小而大」才是根本解決之道。

在愛因斯坦死後,人類對微觀世界的瞭解越來越多,尤其是有了威力巨大的粒子加速器之後,人類對原子的瞭解突飛猛進。於是,又有兩種最基本的力被發現,一種叫作弱核力,它是產生物質的放射性現象的根本原因;另一種叫作強核力,這種力把質子和中子結合成了原子核。說到這個強力,看過《三體2·黑暗森林》的朋友都對那個威力無窮的「水滴」印象深刻吧,那個「水滴」又叫「強相互作用力探測器」。「強相互作用力」指的就是「強核力」,它是人類迄今為止發現的最強的「力」,它有多強,看看《三體2·黑暗森林》就知道了,保你印象深刻。

現在,上帝把這四種力擺在人類的面前,就好像是四塊拼圖板。上帝說:這四塊拼版原本是完全沒有縫隙的一個完整的正方形,我用了一種巧妙的手法把它分割成了四塊,請你們人類思考一下該如何還原回去。

上帝留給了人類兩道終極思考題:一道題是,用一個統一的理論解釋所有基本粒子的起源和成因;另一道題目是,把宇宙中的四種基本作用力用一個統一的數學公式描述出來。

經過三千年的科學攀登,經過無數的磨難和坎坷,我們曾經掉在陷阱中幾百年出不來,也曾經被困在迷宮中差點找不著出路。終於,這一天來臨了——我們,這個居於銀河系邊緣的一個毫不起眼的太陽系中的一顆美麗藍色行星上的兩足生物,站到了上帝的面前。上帝說如果你們能解開這兩道題目,那麼請接受我最誠摯的敬意,從此我收回我以前的一句玩笑話「人類一思考,上帝就發笑」。

我們朝上帝微微一笑:「不論你發不發笑,我們都不會停止思考。」