力的起源 看完这期你就拥有了魔法 而且再也回不去了

这期我们单独讲一个看似平平无奇，但人类至今仍然无法完全搞明白的东西，就是力。

力在我们的日常生活中无处不在，最常见也最常使用的比如有推力、拉力和摩擦力。像汽车之所以能跑起来，是因为轮胎跟地面有摩擦力，如果没有摩擦力，汽车只能原地打滑。然后像推力和拉力，两个人打架就充满这两种力。比如你把人拉过来，一拳头打到别人脸上，就是这两种力。

可能有人说力不是相互的吗？他打我也代表我打了他，确实可以这么说，因为从拳头打脸来看，反过来说脸也打了拳头，不过这样说听起来挺滑稽的，所以打人本质上就是用身体比较坚硬抗击打的部位去击打别人相对脆弱会非常疼的部位。

讲到这里就有一个非常有趣的问题出现了，之前我们讲量子场论的时候说任何物质在微观层面从来没有真正接触过，有人就说那我把别人打了一顿，实际上我根本没有碰到他，帽子叔叔凭什么把我抓起来？从微观层面上来看确实没有接触到他，但是实际上你使用了一种 “魔法”，隔空打了他，这种魔法就是电磁力。

在宏观世界表现为推力、拉力和摩擦力，而这些力的微观来源全部属于电磁相互作用，而这电磁力也是大家产生触觉的原因。我们去摸一个东西并且能感觉到它的存在，就是因为电磁力的存在。这个说法如果大家从来没有接触过是非常反常识的。

你在触摸一个东西的时候，如果我们把显微镜放大一百万倍、一亿倍，我们会发现其实组成我们和物体的原子根本就没有真正接触，原子核之间在微观层面相距很远，然后原子核周围的电子云在互相排斥，你的手掌和物体表面实际上永远都隔着一层 “无形的墙”，而这堵无形的墙才是真正的力的来源。

那么这堵无形的墙是怎么诞生的？也就是说力到底是从哪里来的？答案可能会颠覆大家对于力的所有认知，接下来我们仔细讲讲力从哪里来？它实际上就跟科幻电影里的魔法一样。

人类对 “力” 的概念很早就有了，而真正把力用数学定义出来的人叫牛顿，他在经典物理学里给了力一个明确的定义，力等于质量乘以加速度，这个公式非常简单和优美，在我们日常的宏观世界中统治了几百年，现在几乎所有的工程和科学计算都离不开它。

那牛顿这个公式实际上想表达什么意思？就是说只要一个物体的速度发生变化，也就是有加速度（包括加速、减速或转弯），就一定有力作用在它身上。比如地球能吸引月亮是因为引力，磁铁能吸住铁钉是因为有磁力，你去推一张桌子是因为有接触力（摩擦力、支持力等）。

物理学家们虽然说发明了一个叫力的东西来解释这些现象，但是他们并没有回答一个更深层的问题，力的本质到底是什么？他们只是说有一种叫 “力” 的东西在起作用，但是他们没解释这种力是怎么产生的。

比如大家习以为常的推力、拉力、摩擦力，这些力没什么稀奇的，我们就是能用手拿起一个杯子喝水，杯子不会拿不起来。这个例子听起来绝大多数人不会觉得有多奇怪，这就是为什么地球能隔着几十万公里就把月亮给 “拉” 住了，难道是有一只看不见的手还是怎么回事？这个问题困扰了人类几百年，直到一个破天荒的概念出现了，那就是 “场”。

如果要从现代物理学中找到一个最重要的概念，那估计就是场这个概念了，如果没有这个概念物理学基本上就崩塌了。发明场这个概念的就是十九世纪的物理学家迈克尔・法拉第，他和数学学霸麦克斯韦一起为人类打开了全新的视角，那就是力并不是物体之间直接传递的，而是要通过 “场” 来实现。

什么意思？打个比方，电荷就好像会在周围的空间中铺设一张看不见的 “网”，这就是电场。而磁铁周围也有无形的 “磁力线”，这就是磁场。物体之所以会受到吸引或者排斥，是因为它们处在彼此建立的 “场” 中。

不过了解了这些其实还是无法解释力从哪里来，它是怎么传递的？直到二十世纪一个颠覆性的物理学分支把这个谜题揭开了一半，这就是统治世界的量子力学和它的发展分支量子场论。

在经典物理中力就像一只 “无形的手”，地球能把月亮拉住，磁铁能吸住铁钉，手能推开桌子，牛顿把这些现象统一到 “力” 的概念里，但他并没有解释这种 “手” 究竟是什么。

直到二十世纪初马克斯・普朗克和爱因斯坦就发现光不仅可以看作是波，光其实也可以是由一个个 “光子” 构成的。之后大批的物理学家涌入了量子力学这个全新的领域，他们突然意识到如果光是量子化的，那么支配自然界的 “场” 是不是也可以量子化？如果是这样的话，那么力的传递就不再是一只 “无形的手”，而是通过一种看不见的粒子来实现的。

这意味着每一种力的背后都可能站着一位 “信使”，它负责在物体之间传递相互作用。这是什么意思？打个比方来说，这就像武林高手可以隔空一掌影响一个物体一样。

有的观众可能会有疑问，如果力真的是通过 “粒子” 来传递，那为什么我们在日常生活里从来没有看到这些粒子飞来飞去？比如当你用手推一个物体的时候，为什么没有任何探测器能捕捉到粒子的洪流？答案是因为这些粒子可能并不是真实存在的，物理学家们把它叫做虚粒子。

既然这个东西不存在，为什么要弄出这么一个东西来？要理解虚粒子，我们需要先区分真实粒子和虚粒子的区别。真实粒子比如光子、电子、质子，它们可以被探测到，能量和动量严格守恒，可以独立存在。而虚粒子从来不会单独出现，只能在粒子相互作用的中间过程里短暂存在。

比如当两个电子互相排斥的时候，看起来好像它们在远程推开对方，但在量子场论的解释里，这其实是因为它们在交换虚光子，这些虚光子来回传递动量，就像两个人隔空不断扔球一样，结果就是彼此被推开。

有人就问那为什么非要给它取个名字叫虚粒子？这不是明明存在吗？这是因为如果是真实粒子，那么就必须遵守能量、动量的关系，这是它们能独立存在的条件。但是虚粒子不一样，它们在计算中出现时不满足这个关系，也就是说它们的能量和动量并不严格匹配，所以不能被直接探测到，也无法作为自由粒子存在，它们只能在粒子相互作用的内部过程里短暂出现然后立即消失。

按常理来说它们根本不该存在，但是根据量子力学的不确定性原理，可以允许它们短暂借用能量，只要立刻还回去就行了。打个比方，这就好像我们可以把虚粒子想象成银行里的透支额度，我们可以瞬间透支一笔钱买点东西，但是必须马上归还。

有人说这不是违反能量守恒定律了吗？实际上虚粒子只是量子场论计算中的数学工具，它们的存在也许在中间过程产生有效作用，但是并不真正违反能量守恒。从另一个角度来看，正是因为这些虚粒子才维系起了整个宇宙的自然现象。

那么问题来了，既然所有的粒子都要靠虚粒子传递，那么宇宙中到底有多少种不同类型的粒子？而负责传递力的粒子又是哪些？现代物理学的答案是整个宇宙所有的力都可以归结为四种基本相互作用，它们分别是麦克斯韦电子场方程描述的电磁相互作用，量子色动力学描述的强相互作用，弱电统一理论描述的弱相互作用，以及爱因斯坦场方程描述的引力。

而这四种相互作用力背后都对应着一种虚粒子来传递。比如电磁相互作用的媒介是虚光子，真实光子在我们眼中就是光，而虚光子就是负责传递电磁力的。因为在量子场论中力的作用范围和媒介粒子的质量有关，所以虚光子的特点是它的作用范围无限远，原因就是光子没有静止质量。

我们拿武侠小说做个比喻，就像内力一样，隔着十几丈之外也能发出冲击波把对手逼退，虽然说距离越远威力越小，但理论上虚光子的作用范围没有尽头。

然后强相互作用的媒介是胶子，作用特点是把夸克之间紧紧束缚在一起形成原子核内的质子和中子，而质子和中子之间的合力来自强相互作用的剩余效应，这就进一步把质子、中子束缚在原子核内部，听起来就像是用胶水粘在一起，所以原子核的稳定性就来自胶子传递的强相互作用，原子弹和氢弹释放的能量就来自原子核中的强相互作用。

然后弱相互作用的媒介粒子是 W 和 Z 玻色子，作用特点是它的作用范围非常短，有多短？大约只有十的负十八次方米。刚才我们讲过力的作用范围和媒介力的质量有关，而 W 和 Z 玻色子跟光子不一样，质量非常大，所以作用范围非常短。

像放射性衰变就是弱相互作用的结果，比如核电站和核医学利用的放射性物质，太阳发光、发热也依赖于弱相互作用，也就是说太阳的核聚变中弱相互作用允许质子转化为中子，这个过程启动了核反应链从而释放能量。

而弱相互作用虽然离我们的日常生活很远，但没有它太阳就不会发光，我们也就无法生存。最后是引力，根据这个理论框架继续推导，那么引力应该也有一种传递粒子，就是引力子。要注意的是引力是目前阻挡物理学发展的一道很厚的墙，引力子也只是一种理论预言，目前还没有被实验证实。

如果真的有引力子，那么它的特点跟光子很像，作用范围无限远，但是它的强度其实极其微弱，只有当质量非常大的天体（恒星和黑洞）引力才显得特别突出。在日常生活中我们的体重就是地球引力的体现，地球绕着太阳转也是引力的结果。

虽然说在宏观世界中引力主宰了宇宙的结构，但是在微观世界里引力几乎可以忽略不计。讲到这里重点来了，一部分物理学家们就隐隐约约有一种直觉，这四种完全不同的相互作用有可能就是同一个东西，就类似于水蒸气、冰块和水，我们知道它们本质上只是水的不同形态而已，这就是爱因斯坦后半辈子都在研究的统一场论，这也是整个现代物理学的圣杯。

那么它们到底是不是同一个东西？二十世纪六十年代萨拉姆、格拉肖和温伯格惊奇地发现在极高能量时电磁力和弱核力其实就是一种力，这就是电弱统一。1983 年 W 和 Z 玻色子的发现验证了这个理论，于是物理学家开始认为在更高能量下也许强核力也会和电弱力统一，变成一种超级力，这就是大统一理论，简称 GUT。

由于验证 GUT 的实验条件远远超过了现在的科技水平，所以目前只能通过理论模型推测，并没有直接的实验证据。不过很多理论比如超对称都支持这种可能性。这三种力统一之后，那么就只剩下最后一个引力了，这也是目前物理学中最大的难题。

爱因斯坦失败之后，又有很多物理学家尝试后失败，这就是万有理论，简称 TOE。目前有两个最有影响力的统一理论，它们分别是认为宇宙有十一维度的 M 理论（在《维度的秘密》这期影片中有详细介绍），以及认为空间也可以被量子化、时间并不存在的圈量子引力（在《黑洞和时间真的存在吗？》这些影片中讲过，感兴趣的观众可以去看一看）。

讲到这里大家可能会发现当我们说 “我碰到了某个东西”，其实只是一种大脑制造出来的感觉，也就是说其实触感本质上是大脑对电磁力作用的反馈。从严格的物理意义来讲，我们从未真正碰到过任何物体，所有的触碰感都是场之间的势力在阻止你继续前进。更深层来说，人类创造 “力” 这个概念本身并不是自然界的独立实体，只是虚粒子在背后搭建的一个幻觉。

那么细心的观众会发现，到目前为止我们讲了 “时间不存在”“物质不存在”“力也不存在”，看明白的朋友就知道这些东西到底存不存在其实并不是重点。比如力真的不存在吗？我们明明在宏观世界中依然能真实地感觉到，而真实的情况是力的微观机制远比我们的直觉更复杂。

看完这期大家也许会获得一个全新的视角，就是一种用反直觉的方式看世界的能力，这是一种非常稀缺的能力，希望大家掌握的同时乐在其中。