作者/大栗博斯
美國加州理工學院理論物理講席教授，理論物理研究所（burkeinstitute.caltech.edu）所長，日本東京大學Kavli數學物理學聯合宇宙研究機構（Kavli IPMU）研究主任。東京大學理學博士，發現了量子場論與超弦理論的深層數學構造，其研究曾獲得美國數學學會大獎（2008年）、德國洪堡研究獎（2009年）、日本仁科紀念獎(2009年)、日本數學學會詹姆斯·西蒙斯獎（2012年），《超弦理論：探究時間、空間及宇宙的本原》獲得2014年日本第30屆日本講談社科學出版獎。著有前沿物理科普三部曲《引力是什么》《強力與弱力》《超弦理論》，數學入門科普《用數學的語言看世界》等。
微觀世界中，作用于物質間的主角是三種“力”。整個自然界便是由這三種力再加上引力共四種力來維持運行的。在這四種力中，引力可能是我們最熟悉的。另外，對于理解宇宙而言，引力也是至關重要的線索。我在《引力是什么：支配宇宙萬物的神秘之力》（人民郵電出版社，2015年11月）當中，講解了關于引力的最新研究情況。
但是，在基本粒子的世界中，主角是電磁力、強力和弱力這三種力。
我們也能在日常生活中感受到上述三種力中的電磁力。在人們的認知里，它原本分為電力和磁力。19世紀的物理學家將這兩種力統稱為電磁力，從此人們便將它們作為一種力來理解了。無論是干燥冬日里的靜電，還是磁鐵相互吸引的現象，都是源于電磁力的。原子聚攏構成分子，分子聚攏構成物質，我們日常生活中所接觸的各種物質都是因電磁力而形成的。桌子很堅硬，椅子可供人坐，這都是因為電磁力將桌子和椅子中的分子聚攏在了一起。如果沒有電磁力，就連我們的身體也會變得四分五裂。
那么，剩余的兩種力又在何處發揮著怎樣的作用呢？
“強力”與“弱力”的名字本來就不像專業術語，所以可能會有人認為它們不是作用于微觀世界的特殊的力。例如，人們當中既有臂力超群的強者，也有耐力很差的弱者……所以說，任何力都有強弱可言。
但是，“強力”與“弱力”并不是如此含義模糊的詞語。雖然它們因一個比電磁力強、一個比電磁力弱而被粗糙地命名，但是任何一方都是作用于微觀世界中的力，都是偉大物理學的術語。英語中也分別稱之為“strong force”與“weak force”，“強力”與“弱力”的名稱就是直譯過來的。
為了理解偉大的新發現——希格斯玻色子的意義，我們也有必要了解這兩種力。希格斯玻色子原本是科學家在努力研究強力和弱力作用機制的過程中預言會存在的粒子。我認為通過理解這兩種力，可以透徹地理解標準模型，也能夠體會發現希格斯玻色子的意義。
當媒體報道發現希格斯玻色子的新聞時，可能會有很多人認為“這件事與自己的生活沒有任何關系”。但是，與希格斯玻色子有關的弱力，并非與我們的生活沒有關系。它雖然不像引力和電磁力那樣能被我們感知，卻給我們帶來了巨大的影響。
2011年3月11日發生的東日本大地震引發了福島第一核電站的核事故，放射性物質帶來了波及范圍廣且影響嚴重的污染，釋放出的放射性銫大概相當于廣島原子彈爆炸的168倍。這里產生射線的原因就是弱力。
特別是銫137的原子核，是由55個質子和82個中子組成的。在原子核中，質子與中子的數量平衡是相當重要的。由于銫137的中子比質子多很多，所以它很不穩定。因此在弱力的作用下，中子會變身為質子，使原子核轉為穩定。
你或許認為，力的作用能夠改變粒子類型是件很奇妙的事情。我們在學校的理科課上所學的“力”是使物體運動狀態發生變化的東西。日本文部科學省的中學學習指導大綱中這樣寫道：“只要有力作用于物體，我們就會發現該物體發生變形或開始運動，抑或運動狀態發生改變。”但是，力的作用不僅僅能夠改變物體的形狀和運動狀態。
例如，當我們說“語言的力量”和“藝術的力量”的時候，沒人會想到它們能改變物體的運動狀態吧？這些力改變的是理解它們的對象的思維和心智。另外，最近的經管書籍和自我啟發類書籍的書名出現了《拒絕力》《傾聽力》《煩惱力》等各種各樣的“力”，這些力改變的也不是物體的運動狀態。我想它們主要是指自己和對方的心理狀態。閱讀了那么多改變人心理狀態的“力”型書籍，對于弱力把中子變成質子一事，從感性上應該也不會感到過分意外了吧。
中子是顯電中性的（也正因此被稱為“中子”），而質子帶正電。中子變身成質子之后，原子整體電荷的“賬面”就對不上了。因此，在中子變為質子的同時，會產生帶負電的電子，這樣才能保證質子的電荷能夠與電子的電荷正負相互抵消。這些由中子轉變而產生的電子會以非常高的能量從原子核中釋放出去。這樣，中子釋放出電子變成質子后，銫就會變成鋇。在如此形成的鋇的原子核中，因為中子是突然變為質子的，所以尚處于不穩定的狀態，于是就會通過電磁波釋放掉多余的能量，以最終進入穩定的狀態。
19世紀末，人類發現了不穩定的原子核會釋放電子和電磁波的現象。當時由于不了解其中的真正原因，就把釋放出的電子命名為β射線，把釋放出的電磁波命名為γ射線。對于原子核釋放出的射線，現在我們仍然保留這種叫法。
不穩定的銫在弱力的作用下釋放出β射線和γ射線，變成了穩定的鋇。β射線和γ射線對人體是有害的，自日本核電站事故以來，想必很多人對此都有了一些認識吧。
我們的細胞中含有叫作DNA的分子，它攜帶著生命的重要信息。從銫釋放出的電子（β射線）所具有的動能相當于DNA中原子結合能量的10萬倍。電磁波（γ射線）的能量也是同樣巨大。擁有如此高能量的電子和電磁波一旦進入我們的體內并穿過DNA，就會切斷原子間的相互結合。
DNA的結構被稱為雙螺旋，是像鏈鎖一樣相連的原子分為兩列，呈相互纏繞延伸的螺旋狀。這兩列原子攜帶著相同的信息，即使其中一列受到損傷，也可以使用另外一列的信息實現修復。因此，銫釋放出的電子和電磁波即使切斷了雙螺旋的其中一列，人體一般也能夠完成自我修復。但是，如果不幸兩列的同一地方都被切斷，那就無法進行修復了。帶有錯誤信息的DNA會導致人體產生大量的惡性細胞，從而誘發癌變。
銫137的麻煩之處并非僅此而已。它的半衰期長達30年，會帶來嚴重的污染。假設有100個銫原子，它們不會一下子都變為鋇。即使過了30年也還會殘留50個，它們會繼續釋放射線，所以避難的人們幾乎無法再次回到遭受污染的地區。
那么，為什么銫137的半衰期如此之長呢？
半衰期的長短取決于中子變為質子的速度，也就是由弱力的大小來決定。之所以放射性原子的半衰期長，是因為其弱力“弱”。如果弱力再強一點的話，銫的中子變成質子的速度就會加快，從而縮短半衰期。假設銫的弱力變成現在的4倍，那么它的半衰期將縮短至不到兩年。如果放射性物質能夠在一年多的時間內減少到一半，那么污染的影響也應該不會長期存在了。
但遺憾的是，我們無法隨意調整弱力的大小。而且，如果半衰期變為不到兩年，弱力就會變得很大，事故發生后就會隨即釋放出強度為原來16倍的射線。這種情況也可能會在短時間內產生更大的危害。弱力的影響不僅僅體現在放射性物質產生的污染上。核電站事故的直接原因是宮城縣牡鹿半島海域發生的大地震，而地震的發生機制也與弱力有關。
地球中心的溫度極高，炙烤著叫作地幔的一層結構，并使其發生緩慢對流。地幔上方的地殼會因此而發生形變，當能量通過巖石圈的錯位斷裂釋放出來時就會發生地震。那么，地球的中心為什么具有如此高的溫度呢？ 2005年，KamLAND實驗團隊在日本岐阜縣神岡町1000米深的神岡礦井下，成功地直接觀測到了來自地球中心的中微子（伴隨原子核反應釋放出的基本粒子）。并且，發現了地球一半的地熱（相當于2×107兆瓦）是在弱力引發的原子核反應過程中產生的（剩余的一半則是地球誕生時遺留的能量）。
因此，地震的一半能量來源于弱力。
也許有人聽到弱力是輻射的原因和地震的能量來源之后，會覺得“如果沒有這種麻煩的力就好了”。但是弱力并不是一味地帶給我們麻煩。其實包括我們人類在內的所有生命可以存在于地球上，也多虧了弱力，因為弱力在生命之源——太陽燃燒的過程中，也發揮了重要的作用。
我先簡單介紹一下太陽燃燒的機制。核電站發電利用的是鈾等原子核在核裂變過程中釋放出的能量，而太陽的能量則是在核聚變反應中產生的。質子聚集到一起，轉變為氦原子核的時候，會產生核聚變能量，這種能量會以光的形式照射到地球上。因為太陽的73%是由自由游走的質子組成的，所以發生核聚變的原材料非常充足。但是，僅僅將質子聚在一起并不能讓它們轉變為氦原子。太陽之中發生的核聚變要經歷以下兩個步驟。
圖2-1：太陽中的兩個質子會在弱力的作用下轉變為氘的原子核
首先，當兩個質子靠近時，其中一個會偶爾在弱力的作用下轉變為中子，于是質子和中子結合就能創造出氘的原子核（圖2-1）。這就是最初的一步，也是最棘手的難關。因為質子是帶電的，所以質子之間會在電荷排斥力的阻礙下無法結合。當兩個質子相互接近時，如果沒有弱力在恰當時機發揮作用，讓一個質子變成不帶電的中子，是無法形成氘的。但是，弱力本身較“弱”，所以這種反應不會輕易發生。實際上，太陽中的一個質子與其他質子相遇變成氘原子核的事件可能10億年才發生一次。
一旦創造出氘的原子核，那接下來形成氦原子核（2個質子+2個中子）就沒那么困難了。這是第二個步驟。
也就是說，太陽的燃燒速度取決于在第一階段引起反應的弱力的大小。正因為這樣，太陽才獲得了很長的壽命。我們預測太陽誕生于50億年前，今后還能繼續燃燒50億年，核聚變反應不會一下子釋放出巨大的能量，而是一點點地緩慢進行。這都是因為弱力較“弱”的緣故。
我曾咨詢了美國加州理工學院的天體物理學家和日本國立天文臺的天文學家。通過咨詢得知，如果弱力比現在的大10%的話，太陽的壽命就會因此縮短20%。再大一點的話，在40億年前地球上的生物進化成人類之前，太陽就應該已經燃燒殆盡了。今后的50億年中，我們之所以不用擔心太陽的能量，也是因為弱力會保持著目前的大小而不會改變。
通過以上幾點介紹，你應該了解到了弱力給我們的生活帶來了很大的影響。
理論物理學家默里·蓋爾曼認為強子由更加基本的粒子組成，質子和中子等重子由3個粒子組成，π介子和η、ρ、ψ等介子由2個粒子組成，這些基本粒子被統一命名為“夸克”。實驗也驗證了夸克的存在，目前普遍認為夸克是最基本的粒子。三個夸克組成一個質子或中子，質子和中子構成原子核，原子核與電子結合成原子（圖2-2）。那么，原子的質量看起來好像就等于夸克與電子的質量總和。
圖2-2：三個夸克組成一個質子或中子，質子和中子構成原子核，原子核與電子結合成原子。那么，夸克和電子能夠解釋物質的質量嗎？
然而，實際情況并非如此。在質子和中子的質量中，夸克的質量所占的比例只不過是1%而已。
那么，剩下99%的質量從何而來呢？除了構成原子的基本粒子的質量以外，應該還存在某處為物質提供相應大小的質量。
著名的公式E=mc2成為了理解這個問題的關鍵。愛因斯坦在1905年6月發表了狹義相對論的論文，并于3個月后在補遺中推導出了這個公式。能量（E）等于質量（m）乘以光速的平方（c2）。也就是說，質量與能量之間存在正比例的關系。
這個公式具有劃時代的沖擊力，它揭示出能量與質量在本質上是相同的。由于光速數值巨大，為每秒30萬千米，所以該公式還表明微小的質量也可以產生出巨大的能量。如果重1克的1日元硬幣能夠完全轉化成能量的話，或許可以提供8萬戶家庭1個月所消耗的電量。
愛因斯坦的這一發現，逼迫拉瓦錫的質量守恒定律做出了改變。既然質量可以轉換成能量，那么質量和能量就不是各自獨立存在的量。保持不變的量不是質量，而是質量和能量的總量。
例如，嚴格來講，物質的質量也不是“原子的質量×原子的數量”。還需要把使原子結合在一起的電磁力的能量也計算進去。但是因為這種能量小到可以忽略，所以拉瓦錫的實驗沒有觀測到它，從而得出了化學反應前后質量守恒的結論。
同樣，原子中使原子核和電子結合在一起的電磁能量也只占原子質量的一億分之一。因此，可以說原子的質量基本等于原子核的質量。原子核的質量也基本上等于質子和中子的質量。
如果沿用這種思維模式，我們會覺得好像可以用夸克的質量來解釋質子和中子的質量。但是，實際上即使把所有夸克的質量加起來也僅占了質量的1%而已。
那么，剩下的99%的質量到底從何而來呢？這些質量其實源自將夸克束縛在質子和中子之中的“強力”的能量。
把使原子和原子、原子核和電子、質子和中子結合在一起的能量，換算成質量后的數值是非常渺小的。但是，作用于夸克的力卻可以產生巨大的能量，這種力能夠解釋粒子剩余的99%的質量來源。
因為質子和中子的質量基本源于束縛夸克的能量，所以原子的質量，甚至連我們身邊物質的質量，也基本都是源于這種束縛夸克的能量。
電子和夸克的質量僅占整體質量的1%。所以物質的質量基本可以解釋為強力的能量通過公式E=mc2換算出的質量。
在標準模型中電磁力、強力、弱力的作用機制都是一樣的。可以說，這三種力就像“三兄弟”一樣。實際上，研究者一般認為在宇宙誕生的大爆炸時期，這三種力具有相同的性質。
但是，在當前的世界中，電磁力、強力、弱力并不是同一種力。它們的強度也完全不同。雖然大爆炸時期具有相同的性質，但是隨著宇宙的進化，它們的性質也出現了差異。目前的研究普遍認為力在宇宙誕生的時候就已經存在，不過其作用方式與現在存在差異。可以說，出生時候完全沒有區別的三兄弟隨著發育成長，性格也變得迥異了。
《強力與弱力：破解宇宙深層的隱匿魔法》以通俗易懂的語言解讀了強力與弱力以及基本粒子的相互作用機制，用推理小說的線索追蹤與解謎方式介紹了微觀層面下的奇妙世界以及自然的基本結構，能夠讓你以全新的視角面對和反思宇宙、自然以及萬物的存在。
