一个物理学难题：基本力
F is for fundamental forces
无论是你手拿一本书，还是上下左右地滑动手机屏幕，都在施加一种力。这种涉及到物理性接触的力在我们的日常生活中无处不在。像摩擦力和空气阻力等都属于“接触力”，它影响着运动和加速度，可以用牛顿的运动定律来描述。
而当物理学家谈论基本力时，他们说的是不同的事物：完全没有接触的物体之间能够相互产生影响。这种鬼魅般的“超距作用”曾令牛顿感到异常困惑。
如今，物理学家将其中的奥秘归因于弥漫在空间中的场的作用。在现代理解中，场是最基本的存在。场，可以说是两个物体之间的基本媒介。在电磁力、弱力、强力和引力这四种已知的基本力中，前三种基本力与量子场有关，每种量子场都有对应的粒子，这些粒子被称为规范玻色子，是负责传递基本力的媒介粒子（即载力粒子）。相比之下，引力则特立独行，由完全不同的物理学定律所支配。
基本力与我们在日常生活中所能注意到的普通力的区别在于，基本力不能被简化为另一种力或场。但到底存在多少这样的不能被转化为其他力的基本力呢？物理学家还没有最终的答案。
电磁力
19世纪，包括法拉第和麦克斯韦在内的物理学家进行了大量的实验和理论研究，证明了电和磁实际上是一个统一现象的两个方面：移动的电流能产生磁场，变化的磁场会产生电场。麦克斯韦的电磁学理论表明，电场和磁场总是以恒定速度——光速——传播。到了20世纪，量子场论的发展表明了电磁力是作用于所有带电粒子之间的基本力：同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引；类似的情况也发生在南北磁极上，不过不同的是，磁极总是成对出现，不存在能独立移动的磁单极子。
量子电动力学是现在用来解释电磁力的量子场论。根据量子电动力学，我们知道电磁力的载力粒子是光子，不同能量的光子对应于不同频率的波，而电磁波谱是对所有这些波的统称。电磁力还不止于此，它是一种能将带负电的电子与带正电荷的原子核结合起来的力，因此这种力确保了稳定的原子得以形成，化学反应得以发生。除此之外，它还负责日常生活中的许多力，比如从原子级来看，摩擦力是一种由电子间的相互作用所导致的力。
弱力
弱力之所以称之为弱力是因为尽管它比引力强，但它只在非常短的距离（10⁻¹⁸米）下有效。弱力支配着粒子的衰变，如果没有它，太阳将不会燃烧。
弱力的载力粒子有三种，分别是W⁺、W⁻和Z⁰玻色子。物理学家认为在非常高的能量下，电磁力和弱力应该统一成电弱力，也就说它们是电弱力的两面。但当它们试图用电弱量子场论来描述弱力和电磁力时，总是遇到一个问题，那就是电弱理论要求光子、W⁺、W⁻和Z⁰都是无质量的。
1967年，物理学家萨拉姆和温伯格提出，所有的粒子在宇宙大爆炸中产生时，的确都是无质量的，并且在弱力和电磁力，以及在四种携带它们的粒子之间存在着完美的对称性。但这种对称性是不稳定的，随着宇宙的冷却，这种对称性会经历所谓的自发对称破缺的过程。在此过程中，不同的粒子获得了不同的质量。
为了实现这种转变，他们使用了希格斯等人在几年前发明的数学技巧。像W⁺等粒子会通过与所谓的希格斯场相互作用，从而获得质量。与希格斯场相关的粒子被称为希格斯粒子，于2012年最终被发现。
强力
夸克是组成原子核中质子和中子的基本粒子，在亚原子尺度下，强力负责将夸克束缚在一起。强力是四种基本力中最强的，在10⁻¹⁵米的尺度下，它比电磁力强137倍，比弱相互作用强上百万倍。
负责传递强力的载力粒子是胶子，它携带有“色荷”，因此能够与同样带有色荷的夸克彼此发生相互作用。我们知道，当带电粒子相距越远时，电磁力就越弱，但有趣的是当把夸克与胶子分开时，它们之间的力反而会变得越强，并试图将它们拉回到一起。这种现象被称为渐近自由。也正因为如此，夸克和胶子无法独立存在，而是只能作为更大的复合粒子的一部分出现，比如质子和中子。
在量子场论中，解释强力的理论被称为量子色动力学。一直以来， 物理学家都试图结合量子电动力学和量子色动力学。在宇宙形成初期的极高能环境下，电弱力和强力也被认为可以合二为一。能够统一电磁力、弱力和强力的理论被称为大统一理论。几十年来，物理学家一直在寻找大统一理论的实验证据，比如理论所预言的质子衰变。
引力
在四种自然的基本力中，电磁力、强力和弱力都由量子场论描述，通过量子粒子传播；唯独第四种基本力——引力，与其他三种不同。引力是已知的四种基本力中最弱的一种。在1687年出版的数学物理著作《原理》中，牛顿用一个公式来描述这种能让苹果从树上落下，使行星绕恒星轨道运行的力。在他的描述中，引力是一种告诉物体如何运动的力。两个物体之间的引力大小与它们的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。
虽然牛顿的万有引力在绝大多数情况下都运作良好，然而却存在一个显而易见的问题——它似乎能跨越很远的距离，瞬间发挥作用。这个问题也一直困扰着牛顿本人，直到爱因斯坦出现。1916年，爱因斯坦提出广义相对论，重新定义了引力，引力不再仅仅是单个物体的属性，而是整个宇宙的属性，它是由物体导致的时空弯曲的结果。时空中任何一点的引力场的强度都是时空弯曲的程度，具有质量的物体沿着这些无形的弯曲曲线坠落。而爱因斯坦的这种引力理论，已经通过了迄今为止所有的检验。近年来，抢占各大新闻媒体头条的引力波、黑洞都是由广义相对论所描述。
第五种力？
四，看起来是非常随机的一个数字，为什么不可能有更多的基本力？事实上，物理学家很早就开始寻找第五种力存在的可能性了。例如，1986年，麻省理工的一组物理学家宣称他们发现了一种表现为反引力的第五种力——超荷；大约在2000年，物理学家提出了一种新的力，名为精质，以解释那时刚发现不久的暗能量；2004年，两名物理学家提出了一种会随环境变化的变色龙力，一项最新的模拟显示，在一个具有变色龙力的宇宙中，也会形成我们现在所观测到的星系。
2015年，来自匈牙利的一个团队在不稳定同位素铍-8的衰变中发现了异常，这暗示着或许存在着一种新的、极度微弱的粒子——它的质量大约为17MeV，是电子质量的约33倍。如果能够得到证实，将对于解释暗物质的本质，以及统一几种基本力具有重大意义。
2019年，同样的研究团队在氦原子核的衰变中也看到了相似的异常，这是对之前结果的进一步确认。研究人员提出的新粒子是一种“疏质子的X玻色子”，可能对应着第五种基本力。如果他们的发现最终得到证实，那将是一件非凡的成就，它意味着我们发现了一种新的粒子，也发现了一种新的基本力。但在这之前，还有许多的工作需要做。正如卡尔·萨根所说：“非凡的主张需要非凡的证据。”
#创作团队：
文字：原原
封面/插图：岳岳
#参考来源：
http://tech.mit.edu/V105/N58/force.58n.html
https://www.newscientist.com/article/mg24632821-000-we-have-seen-hints-of-a-new-fundamental-force-of-nature/#bx3282010B3
https://www.discovermagazine.com/the-sciences/what-is-the-fifth-forcehttps://phys.org/news/2019-11-fundamental-havent.html
https://astronomy.com/news/2020/03/the-fifth-force-what-is-it
https://www.quantamagazine.org/new-boson-claim-faces-scrutiny-20160607/
http://tech.mit.edu/V105/N58/force.58n.html