自然界的四種基本力是宇宙中所有相互作用的根源。來源：NASA / Shutterstock。

從在大街上行走，到向太空發射火箭，再到在冰箱上貼磁鐵，物理力量都在我們周圍發揮作用。但是，我們經歷的所有力量（以及許多我們沒有意識到我們每天經歷的力量）可以歸結為以下四個基本力：

1. 萬有引力
2. 弱力
3. 電磁力
4. 強力

這些被稱為自然界的四個基本力，它們支配著宇宙中發生的一切。

萬有引力

萬有引力是兩個具有質量或能量的物體之間的吸引力，無論是從橋上掉落石頭，繞恆星運行的行星，還是月球給我們地球造成的海洋潮汐，都可以看到萬有引力。萬有引力可能是基本力中最直觀和最熟悉的，但它也是解釋最具挑戰性的方法之一。

艾薩克·牛頓（ Isaac Newton）是第一個提出萬有引力概念的人，據說是受到蘋果從樹上掉下來的啟發。他將萬有引力描述為兩個物體之間的相互吸引。幾個世紀後，愛因斯坦通過廣義相對論提出，萬有引力不是吸引力或力量。相反，這是物體彎曲時空的結果。大物體在時空上的工作方式有點像放置在紙張中間的大球如何影響周邊物體，使其變形並使紙張上其他較小的物體朝中間掉落。

儘管萬有引力將行星、恆星、太陽系甚至星系保持在一起，但事實證明它是最弱的基本力，尤其是在分子和原子尺度上。這樣想：將球提離地面有多難？還是抬起腳？還是跳？所有這些行動都在抵消整個地球的引力。並且在分子和原子水平上，萬有引力相對於其他基本力幾乎可以忽略不計。

弱力

弱力，也稱弱核力，是粒子衰變的原因。這是從一種類型的亞原子粒子到另一種類型的字面上的變化。因此，例如，偏離中子的中微子可以在中微子變成電子的同時將中子變成質子。

物理學家通過交換稱為玻色子的傳力粒子來描述這種相互作用。特定種類的玻色子是弱力，電磁力和強力的結果。在弱力下，玻色子為帶電粒子，稱為W和Z玻色子。當亞原子粒子（例如質子，中子和電子）相互之間的距離為10 ^ -18米，即質子直徑的0.1％時，它們可以交換這些玻色子。結果，根據佐治亞州立大學的HyperPhysics網站，亞原子粒子衰減成了新粒子。

弱力對於為太陽提供動力併產生地球上大多數生命形式所需的能量的核聚變反應至關重要。這也是考古學家可以使用碳14確定古代骨骼、木材和其他先前存在的人工製品時代的原因。碳-14具有六個質子和八個中子；這些中子中的一個衰變為質子以生成14號氮，該氮具有7個質子和7箇中子。這種衰減以可預測的速度發生，從而使科學家能夠確定此類文物的年代。

弱力對於為太陽提供能量併產生地球上大多數生命形式所需的能量的核聚變反應至關重要。

2016年7月23日從太陽噴發的M7.6級太陽耀斑的特寫鏡頭。來源：NASA太陽動力學天文臺。

電磁力

電磁力（也稱為洛倫茲力）在帶電粒子之間起作用，例如帶負電的電子和帶正電的質子。相反的電荷相互吸引，而相同的電荷則相互排斥。電荷越大，作用力越大。與萬有引力非常相似，可以從無限遠的距離感覺到該力（儘管在遠距離上力會非常非常小）。

顧名思義，電磁力由兩部分組成：電力和磁力。最初，物理學家將這些力描述為彼此分開，但後來研究人員意識到這兩者是同一個力的組成部分。

無論帶電粒子是運動的還是靜止的，電子部件都在它們之間起作用，從而形成一個電場，電荷可以通過該電場相互影響。但是一旦運動，那些帶電粒子便開始顯示第二分量，即磁力。粒子在移動時會在其周圍產生磁場。因此，例如，當電子通過電線運動以為計算機或電話充電或打開電視時，電線就會變成磁性。

電磁力通過稱為光子的無質量、載力玻色子的交換在帶電粒子之間傳遞，玻色子也是光的粒子成分。但是，在帶電粒子之間交換的載光子是光子的另一種表現形式。根據田納西大學諾克斯維爾分校的說法，即使它們在技術上與真實可檢測的版本相同，它們也是虛擬的且不可檢測的。

電磁力是某些最常見的現象的原因：摩擦、彈性、法向力和將固體按給定形狀保持在一起的力。甚至是鳥類、飛機甚至超人在飛行中遇到的阻力的原因。由於帶電（或中和）的粒子彼此相互作用，因此可能發生這些動作。例如，使書本保持在桌子上方的法向力（而不是萬有引力將書本拉到地面上）是由桌子上的原子中的電子排斥書本原子中的電子引起的。

使書本保持在桌子上方的力是電磁力的結果：桌子原子中的電子排斥書本原子中的電子。來源：NASA。

強力

強力，也被稱為強大的核相互作用，是自然界四種基本力中最強的。根據HyperPhysics網站的數據，它比萬有引力的（6之後是39個0）倍。那是因為它把物質的基本粒子結合在一起形成更大的粒子。它把構成質子和中子的夸克結合在一起，並且一部分強大的力還將原子核的質子和中子保持在一起。

就像弱力一樣，強力僅在亞原子粒子彼此非常接近時才起作用。根據HyperPhysics網站，它們之間的距離必須在10 ^ -15米之內，或者必須在質子直徑的範圍內。

但是，該強力是奇怪的，因為與任何其他基本力不同，它隨著亞原子粒子移近而變弱。根據Fermilab的說法，當粒子彼此最遠離時，它實際上達到了最大強度。一旦進入範圍，稱為膠子的無質量帶電玻色子就會在夸克之間傳遞強大的力，並使它們"膠合"在一起。稱為剩餘強力的一小部分強力在質子和中子之間起作用。原子核中的質子由於電荷相似而彼此排斥，但是剩餘的強力可以克服這種排斥，因此粒子保持在原子核中的結合。

自然界的統一

四個基本力的一個懸而未決的問題是它們是否實際上只是宇宙中一個統一力的體現。如果是這樣，它們每個人都應該能夠與其他人合併，並且已經有證據表明它們可以做到。

哈佛大學的物理學家Sheldon Glashow和Steven Weinberg以及倫敦帝國大學的Abdus Salam 憑藉弱電磁力的統一形成了電弱力的概念而贏得了諾貝爾物理學獎。致力於尋找所謂大統一理論的物理學家旨在將電弱力與強力結合以定義電子核力，這些模型已經預測到了，但研究人員尚未觀察到。難題的最後一關將需要用電子核力統一萬有引力，以發展所謂的萬物理論，該理論框架可以解釋整個宇宙。

然而，物理學家發現很難將微觀世界與宏觀世界融合。在大尺度上，尤其是在天文尺度上，萬有引力起著主導作用，愛因斯坦的廣義相對論可以很好地描述萬有引力。但是在分子、原子或亞原子尺度上，量子力學最能描述自然界。到目前為止，還沒有人提出一種融合這兩個世界的好方法。

許多物理學家旨在將基本力統一在一個理論下，該框架可以解釋整個宇宙。來源：Shutterstock。

研究量子引力的物理學家旨在用量子世界來描述力，這可能有助於統一各種力。引力子的發現是這種方法的基礎，引力子是萬有引力的理論力玻色子。萬有引力是物理學家目前不使用載力粒子就能描述的唯一基本力。但是，由於對所有其他基本力的描述都需要承載力的粒子，因此科學家希望引子必須存在於亞原子級-研究人員尚未發現這些粒子。

暗物質和暗能量的隱形領域使問題更加複雜，暗物質和暗能量約佔宇宙的95％。目前尚不清楚暗物質和能量是由單個粒子還是由具有自身力和信使玻色子的整套粒子組成。

當前關注的主要信使粒子是理論上的暗光子，它將居間傳遞可見和不可見宇宙之間的相互作用。如果存在暗光子，它們將是探測暗物質無形世界的關鍵，並可能導致發現第五種基本力。不過，到目前為止，還沒有證據表明存在暗光子，並且一些研究提供了有力的證據表明這些粒子不存在。

原文參考文章《Facts about the four fundamental forces that describe every interaction in nature》。

譯自Jeremy Rehm在Science&Astronomy的文章《The Four Fundamental Forces of Nature》，並略作修訂。