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到目前为止，物理学家认为只有四种基本力。这些基本力起作用的基本机制是通过虚拟粒子的交换，这些粒子通常是标准模型的规范玻色子。这些规范玻色子是：携带电磁力的光子、负责强力的胶子以及负责弱力的W和Z玻色子。虽然重力也被认为是由粒子介导的，但尚未观察到引力子的存在。

虚粒子

首先什么是虚粒子？这些粒子是由于海森堡不确定性原理而存在的。不确定性原理的一种版本指出，能量的变化乘以粒子存在的时间大于或等于普朗克常数除以4。但量子力学的概率定律是这样的，如果粒子的能量乘以时间小于h/4，那么虚拟粒子就可以存在，而不是真实的粒子。这本质上意味着大自然允许虚拟粒子短暂存在，并且由于能量和质量是等价的，大自然通过借用真空能量来创造具有质量的粒子。但由于时间很短，在被发现之前就被摧毁了。它们实际上只是底层量子场的激发，但它们仅表现为力，而不是可检测到的粒子。

但如果它们无法检测到，我们怎么知道它的存在呢？我们无法检测到单个虚拟粒子，但我们可以检测到许多粒子被创建和破坏的效果。其中一种效应称为卡西米尔效应，当板外虚拟粒子的压力高于板之间的压力时，两个紧密结合的板之间产生的物理力。

电磁相互作用

接下来的问题是这些虚粒子的交换如何产生力？我们以电磁学为例。量子理论表明，当两个相同类型的电荷彼此靠近时，虚拟粒子的交换会在两个粒子之间产生能量梯度，从而允许带电粒子之间出现更高的能态。由于粒子想要以最低能量状态存在，因此它们会分开。当两种不同的电荷彼此靠近时，情况正好相反。粒子处于较低的能量状态，并且它们彼此越接近，能量状态越低。

为什么电磁力的范围是无穷大？为了回答这个问题，我们还使用能量-时间版本的不确定性原理，但这次能量被质量方程代替。此时，我们得到虚拟光子可以存在的最大时间th/(4mc)。在此期间，它只能移动距离D=ct，所以Dh/(4mc)。由于虚光子的静止质量为零，距离D的范围可以达到无穷大。

强相互作用

但这对于强力来说是一个问题，因为它的中介虚拟粒子胶子也是无质量的。然而，强力的范围非常有限，只有质子那么宽。为什么它没有无限的范围？答案涉及量子色动力学。

首先要了解的是，质子和中子是由三个夸克组成的，胶子负责将这三个夸克结合在一起。光子和胶子之间的主要区别在于光子是电中性的，因此它们不与自身相互作用，它们仅在介导电磁力时与带电粒子相互作用。另一方面，胶子携带电荷，除了与夸克相互作用之外，它们还相互相互作用。事实上，胶子也是电中性的，它们不带正电荷或负电荷，但它们确实具有完全不同的电荷，称为色荷。

强力作用于色荷的方式与电磁作用的方式之间存在重要区别。随着物体距离越来越远，电磁力越来越弱；然而，两个夸克距离越远，强力就越强。它就像一根橡皮筋。如果我们试图将两个夸克拉开，力就会变得更大。然而，如果你把一个夸克从质子或中子上撞开，能量就会变得如此之大，以至于橡皮筋会折断。然后释放的能量产生一对新的夸克-反夸克，并且新的夸克被拉回到质子或中子。新创造的夸克-反夸克对称性称为介子，它们参与将质子和中子与原子核结合的强力。

弱相互作用

弱力如何作用？它更像是一种能量，其中某些粒子必须将自己转化为不同的粒子。一个例子是中子，它通过发射电子和反中微子变成质子。中子由两个下夸克和一个上夸克组成，质子由两个上夸克和一个下夸克组成。任何中子都可以通过将其中一个下夸克转换为上夸克而成为质子，这是通过发射负电性虚拟W 玻色子来实现的。由于W 玻色子带负电荷，不带电的中子现在变成带正电的质子。然后，W 玻色子几乎立即衰变成电子和反中微子，这是我们可以在实验中检测到的粒子。

弱相互作用之所以很短，是因为W玻色子的质量很大，所以W玻色子的生存时间很短。用不确定性方程进行数学计算，作用范围约为10^-18米，约为质子直径的千分之一。弱相互作用的有趣之处在于，它的强度在质子直径的千分之一范围内几乎与电磁力相同，正是这种认识导致了电磁力与弱力的统一。