自然界存在着四种基本作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力。这四大基本作用力都是靠基本粒子来传递的。
具体来讲,强力依靠胶子来传递,弱力依靠中间玻色子传递,电磁力依靠光子来传递,而引力依靠引力子传递。除了引力子之外,其他三种传播子都已经被发现。科学家一直努力寻找引力子,但一直没有找到。
磁铁产生的磁力就属于电磁力,它是目前人类研究最透彻的基本力,也是人们日常生活中最常见的力。
除了引力之外,我们日常生活中看到的力都是电磁力,比如说机械力,弹力,摩擦力,甚至声波也属于电磁力的范畴。
电磁力的本质是电荷,带电粒子与电磁场相互作用而产生的力。具体是如何产生的呢?
电磁力是通过光子来传播的,也就是说,光子是电磁力的传播子。不过这里的“光子”与我们平时所说的“光子”并不一样,严格来讲是“虚光子”,而不是我们平时看到的实光子。虚光子我们是看不到的,也不能直接观测到,只能通过间接的方式确实它的存在。
那么到底什么是虚光子呢?它是如何产生的,又是如何传递电磁力的呢?
需要用量子力学来解释。根据量子力学的不确定性,虚光子可以通过“赊借”能量的方式衍生出来,只要整个过程时间足够短,大自然就不反对这一切的发生。
因为时间和能量满足不确定性原理,两者的不确定性不能为零,必须不小于一个常数。这意味着只要时间足够短,就能赊借足够多的能量,虚光子就是这样衍生出来的。
虚光子产生之后,会传播一段距离然后瞬间消失,能量越高的虚光子存在时间越短,传播距离也就越短。反之,能量越低的虚光子存在时间越长,也就能传得更远。
衍生出来的虚光子并不违反能量守恒定律,满足不确定性的虚光子会在瞬间湮灭,从而归还赊借的能量。
一个带电粒子就是通过这种方式产生虚光子的。当虚光子产生之后,就会被附近的其他带电粒子吸收,这就相当于其他带电粒子偿还了第一个带电粒子“赊借”的能量,相当于能量的转移,而不是无中生有。
在这个过程中,就会产生电磁力。由此来看,电磁力的传递需要借助虚光子,并不是我们看到的实体光子,不然的话,就违反了能量守恒定律。
量子力学的不确定性原理就会避免这种情况发生,不会违反能量守恒定律。前提是衍生出来的虚光子能在足够短的时间被吸收,由于这个过程非常短,所以我们并不能探测到虚光子的存在,因此它们也被称为“虚光子”,好像虚无缥缈的幽灵一样,若隐若现。
既然探测不到,我们该如何确定这种虚光子的存在呢,著名的卡西米尔效应就能确定。根据量子场论,衍生出来的虚光子其实就是量子涨落,会衍生出正反两个虚粒子对,在两个靠得非常近的金属板之间的量子涨落密度比较低,所以两块金属板会产生引力。
与引力一样,电磁力也属于长程力,理论上作用距离无限远,电磁力大小与距离成反比。引力和电磁力都属于宏观基本力,而强力和弱力属于微观作用力,都体现在微观世界。
从基本作用力的大小来讲,电磁力是第二强的力,仅次于强力。最弱的力是引力,而弱力排行第三。
打个比方,如果强力的大小为1,那么电磁力约为137分之一,弱力更小,只有10的负13次方。而最小的引力只有10的-39次方!
你可能会有疑问:引力怎么会比电磁力弱这么多呢?引力甚至能把地球稳稳地束缚在固定的轨道上,怎么会是最弱的力呢?
举个例子就明白了,我们可以非常轻松地举起一岁大的婴儿,但你知道吗?你向上托举婴儿的过程,其实是在对抗整个地球对婴儿的引力。也就是说,我们一个人的力量就足以对抗整个地球对婴儿的引力,这下能看出引力有多弱了吧?
相比之下,我们要把两块吸在一起的磁铁分开,还是要用一定力气的,一块小小的磁铁就能产生如此大的电磁力,这也说明了引力在电磁力面前完全就是小巫见大巫!