基础与自然单位

各种力的相对强度与作用范围

在四种基本力中,有两种——引力和电磁力——为人熟悉,因为它们能横跨房间、横跨天空;另两种只在原子核内部起作用,因而在日常生活中始终隐而不见。要弄明白这个世界为何是现在这副样子,不妨同时从两个维度来比较这些力:每一种有多强,以及它能伸多远。

论强度,在质子尺度上的排序很惊人。强相互作用最强(把它定为参照值 1);电磁力大约要弱一百倍;弱相互作用还要再弱很大一截;而引力则弱得离谱——比强相互作用弱大约十的三十八次方倍。论范围,其中两种能伸到无限远但随距离衰减,另两种几乎完全没有作用范围。电磁力和引力是长程的(强度按距离平方的倒数衰减),因为它们的载体没有质量。强相互作用和弱相互作用是短程的,被限制在原子核之内,因为强相互作用把自己的载体困住,而弱相互作用的载体非常重,这限制了它们能走多远。

这两个维度解释了物质的构造。引力如此微弱,以至于在两个粒子之间完全可以忽略,然而正因为它只会累加、从不抵消,它在天文尺度上取胜,主宰行星与星系。电磁力很强,却有正负两种符号、彼此抵消,所以大块物质几乎是中性的,引力便有了用武之地。一个诚实的微妙之处是:这些比较依赖于尺度——一种力的有效强度会随你探测它所用的能量而变,而在极高能量下,几种力的强度会彼此靠拢,暗示这些力或许会统一。

把一块小磁铁举在一枚回形针上方,它就能把回形针从桌上吸起来。就在那一刻,一块小磁铁的电磁力,胜过了整个地球把回形针往下拉的引力——这生动地显示出,与其他力相比,引力有多么微弱。

一块小磁铁就能胜过整个地球的引力——引力是远远最弱的力。

一种力的强度并不是一个固定的数:它取决于你用多高的能量去探测它。常被引用的那套排序是针对大致核尺度的,到了更高能量,数值会改变。

又称
strength and range of forcesforce hierarchy力的强度与范围力的層級