是什麼把粒子緊緊地束縛在一起？

在《什麼是「基本」？》和《世界是由什麼構成中》我們已經詳細的談到了構成我們世界最基本粒子：夸克和輕子。所以.......

我們熟悉並熱愛的宇宙之所以存在，是因為基本粒子間的相互作用，這些作用包括了吸引、排斥、衰變和湮滅。

物理學家經過過去一個世紀的努力，已經搞清楚了粒子間共有四個基本相互作用，世界上所有的力都可以被歸納為這四個相互作用！

沒錯，日常生活中我們熟悉的摩擦力、磁力、引力、原子核衰變等等都是由這四個基本相互作用力之一所引起的。

等等，上面我們說了力和相互作用，難道它們有所不同？嚴格來說，力是因為一個粒子的存在影響了另一個粒子，粒子的相互作用包括了全部影響它的力，但也包括粒子可能經歷的衰變和湮滅（我們之後會談到這衰變和湮滅）。

這個原因讓大部分人搞不清楚，甚至是一些物理學家也經常隨意地使用「力」和「相互作用」，但是顯然「相互作用」的用法更加準確。舉個例子，我們叫帶有相互作用力的粒子為「載力粒子」。通常你可以隨意使用兩者，但是必須記住它們間的區別。

那麼，粒子是如何相互作用的？

這並不是一個好回答的問題，物理學家為此困擾了多年。

這裡的問題重點在於物體並沒有直接的接觸就可以相互作用！兩個磁鐵是如何「感覺」到對方的存在而適時的產生吸引或排斥？太陽又是如何吸引著地球？

好吧，你肯定會理所當然的認為，那不就是「磁力」和牛頓的「萬有引力」嘛！因為這些現象在生活中太司空見慣，以至於我們都沒有停下來細想一下，這些力到底是什麼？額，想了一下，是不是沒頭緒..........

如果你不知道並沒有關係，因為當年牛頓提出萬有引力后他自己也並不知道答案，他直接認為這只是神奇的「超距作用」。

看不見的作用

你可以把力想象成類似於下面的情況：

兩個人站在冰上，一個人擺動他的手並被向後推。過了一會兒，另一個人接住一個看不見的物體然後往後退。我們假設這個看不見的物體是個籃球。雖然你不能看到這顆籃球，但你能假設一個人丟出籃球給另一個人，因為你看到它作用在人身上的結果。

結果顯示作用在物質粒子上的所有作用力都是通過交換載力粒子而產生的，這些粒子就想籃球一樣，被兩個物質粒子拋來拋去。簡單的說，載力粒子就是兩個粒子之間的信使。

所謂的力是通過載力粒子的交換而產生的，這樣的理論已經得到了實驗數據大力的支持。

關於載力者，我們必須知道一件事：一個特定的帶力粒子只能夠按特定力所影響的物質粒子吸收或放出。舉個粒子來說，電子和質子有電荷，所以它們就能放出或吸收電磁載力者——光子。也就是說只有特定的信使才能完成這個任務。

警告：如果你要吸收或放出一個載力粒子，你最好被載力粒子所攜帶的力影響。違者將以破壞真理的罪名被起訴！

電磁現象

電磁力會導致同電荷相斥和異電荷相吸。很多生活中的力，比如摩擦力、甚至是磁力都是由電磁力造成的。你要深刻的記住，如果沒有電磁力的作用，你就會落下穿過你自家的地板！多虧了電磁力，它使得由原子組成的物質包括你的腳和地板相互抵抗以免被轉移。

我們已經知道，電磁力的載力粒子是光子。不同能量的光組成了電磁光譜，包括X光、可見光、無線電波等等。

這裡我們要記住一點，光子並沒有質量，而且總是以「光速」行進。真空中的光速大約每秒3億米的速度前進著。

殘留電磁力

原子內通常有同等數目的質子和電子，因為帶正電的質子和帶負電的電子想消，所以它們是電中性的。既然它們是電中性的，那時什麼力量使它們粘在一起而形成穩定的分子呢？

答案聽起來或許有點奇怪：物理學家發現一個原子的部分電荷，能和另一個原子的部分電荷相互作用，導致不同原子的結合。這種作用力被稱為殘留電磁力。

所以電磁力允許原子相結合形成分子，允許世界保持在一起而不分崩離析，並一直產生與你相互作用的物質。是不是很驚訝？世界的構造之所以存在只是因為電子和質子有相反的電荷！

這就是生命的意義的終極答案！

那麼原子核呢?

回顧一下之前說的，原子是由原子核和電子組成的。原子核包括質子和中子，它們都是由夸克組成的。質子帶電，而中子是電中性的，而帶正電的質子會彼此排斥。那麼問題又來了！是什麼使得原子核結合在一起而不會散開來呢？

剛才我們說過了，原子只所以能夠結合在一起是因為剩餘的電磁力使帶負電的電子和帶正電的質子相互作用。那如果電磁力統治著原子，原子核內都帶正電的質子理應要互相排斥而不能穩定存在。除非！除了電磁力，在原子內還有其他力的存在。難道是萬有引力？肯定不是，因為簡單的計算就能只能引力小到根本無法跟電磁力相抵抗。

物理學家好像面臨了一個窘迫的局面。

強相互作用力登場！

為了理解在原子核內發生了什麼事，我們必須了解更多組成質子和中子的夸克的性質。夸克帶有電荷，它們也有完全不同種的電荷叫色荷。在色荷之間的力很強，所以這個力被創造性的命名為：強相互作用（下面簡稱強核力）。

強核力把夸克抓在一汽形成強子，所以它的攜帶粒子很怪異的叫做「膠子」，因為它們緊密地將夸克「粘」在一起。物理學家起名字有時候還真的是簡單粗暴呢！

色荷和電荷的行為並不同，膠子自己就是色荷，它很怪異，而且不像光子一樣沒有電荷。且當夸克有色荷時，由夸克組成的複合粒子沒有凈色荷（它們是色中性的）。由於這個原因，強核力只發生在非常小的距離內，這就是為何在日常生活中你並不會察覺到強核力存在的原因。

色荷

夸克和膠子都是色荷粒子。就像電磁力中，電荷粒子間靠著交換光子相互作用，在強核力中色荷粒子通過交換膠子傳遞信息。當兩個夸克接近時，它們就交換膠子產生使夸克結合在一起且非常強的色力場。夸克離得越遠，力場強度就越大。夸克通常和其他的夸克交換膠子時改變其色荷。

色荷是如何運作的呢？

一共又三種色荷以及和三種相應的反色荷（互補色）。每個夸克有三種色荷的其中一個，而每個發夸克有三種發色和中的一個。就想混合紅光、綠光和藍光產生白光，在重子中，結合紅、綠和藍色荷成為色中性，在反重子中，反紅、反綠和反藍也是色中性。

膠子可以被看作是帶有一個色荷和一個反色荷，因為它們在吸收和釋放的過程中總是會改變顏色。由於共有九種可能的色彩和反色彩的組合，所以我們期望會有九種不同的膠子電荷，但是數學計算出來的只有八種組合。不幸地，目前對這個結果還沒有直觀的解釋。

澄清：這邊提到的「色荷」和可見顏色沒有沒有任何關係，它只是物理學家所發展出的數學系統，以解釋所觀察到在強子中的夸克而命名的。

夸克禁閉

一個事實：色荷粒子不會單獨地被發現。基於這個理由，色荷粒子和其他夸克被限制在群體（輕子）之中，這樣的組合是色中性的。

強核力在標準模型中的發展反映出夸克只在重子（三夸克物質）和介子（夸克和反夸克物質）中結合的證據，對於四夸克物質則不然。現在我們知道只有重子（三個不同顏色）和介子（色彩和反色彩）是色中性的，不能結合成色中性狀態的粒子是永遠不會出現的。

色力場

夸克在強子中會不停的交換膠子，由於這個原因，物理學家討論由膠子將一串夸克結合在一起所構成的色力場。如果在強子中的夸克之一被拉離它的鄰居，更多的能量加到色力場，而導致某個瞬間，色力場更活躍且容易「啪的一聲」產生新的夸克和反夸克對；同時能量必須是守恆的，因為色力場的能量會轉變為新夸克的質量，而色力場就會「放鬆」成未拉緊時的狀態。

記住：夸克不能單獨地存在是因為當它們被拉離的時候，色力也同時不斷地在增大。

釋放膠子的夸克

好多東西要記住：色荷總是守恆的！

當夸克釋放或吸收一個膠子時，夸克的顏色必須改變以維持色荷守恆。比如，假設一個紅夸克變成了藍夸克，且釋放出了一個紅/反藍膠子，凈色彩仍是紅色。這是因為當釋放出膠子的時候，藍色的夸克會和反藍色的膠子相互抵消。所以剩下的色彩仍然是紅色的膠子。

殘留強核力

現在我們知道強核力將夸克結合在一起是因為夸克有色荷。但是還不能解釋是什麼將原子核結合在一起，由於正電荷的質子以電磁力相互排斥而質子和中子都是色中性的。

那到底是什麼將核結合在一起的呢？？？

簡單的說，答案是它們並不是無緣無故的就被稱作強核力。一個質子的夸克和另一個質子的夸克之間的強核力夠強，遠遠大過電磁的排斥力。

弱相互作用

我們知道，標準模型中有六種夸克和六種輕子。但是，在宇宙中的所有穩定物質似乎都只是由最輕的兩個夸克（上夸克和下夸克）和最輕的帶電輕子（電子）和中微子所組成。

弱相互作用（簡稱弱力）主要發生在夸克和輕子衰變成較輕的夸克和輕子的過程中。當基本粒子衰變時，我們觀察到粒子消失並且由至少兩個不同的粒子所取代。雖然總質量和總能量是守恆的，但是原來粒子的一些質量轉變成動能並導致經過衰變后的粒子質量總是小於原來粒子的質量。

我們周遭的穩定物質都是由最小的夸克和輕子所組成的，因為它們不能進一步衰變。

當一個夸克或輕子改變形態（比如，一個μ子變成電子），這個過程叫做變味。所有的味會改變都是因為弱力。

弱力的攜帶粒子是W和Z粒子，W粒子是帶電的而Z粒子是電中性的。標準模型中電磁力和弱力被統一成弱電相互作用。

弱電相互作用（弱電力）

物理學家長久以來一直相信弱力和電磁力有緊密的聯繫。最後它們發現在極短距離時（大概是10的負18次方米），弱力的強度才比得上電磁力的強度。如果距離增加到30倍時，弱力的強度是電磁力的萬分之一倍。

物理學家推斷，弱力和電磁力的強度基本相等，這是因為作用力的強度主要取決於帶力者的質量以及作用力的距離。而由於W和Z粒子的質量很大，而光子是沒有質量的，因此它們所觀察的強度會有很大的差別。

萬有引力呢？

引力是很不可思議的，它明顯是基本相互作用力之一，但標準模型不能解釋它。這也是當今物理界令人頭痛卻想方設法回答的主要問題之一。

除此之外，引力的載力粒子還未被發現。但是，也許有一個理論預測並已存在的粒子在某一天會被發現，那就是引力子。

幸運的是，在大部分粒子物理情況下，引力和其它三個力比起來就顯得微不足道，所以在計算理論和實驗時能夠忽略引力的存在，如此一來標準模型就不需要解釋引力了。（額，好吧，理由有點牽強。）

總結

在《什麼是「基本」？》一文中，我們提出的從古至今人們一直努力思索的兩個問題，現在已經有了答案。

我們的世界是由什麼構成的？這個世界是由六種夸克和六種輕子構成，我們所看到的每個事物都是夸克和輕子的混合物。

是什麼把粒子緊緊地束縛在一起？束縛粒子間的基本力一共有四種，且載力粒子和每個力都相關聯。

下面的圖總結了我們所講過的一切，有一些細節以後也會再提到。