相互作用：力的本质是什么？

你好，欢迎来到《给忙碌者的量子力学课》，我是李剑龙。

上一讲我们说到，量子力学不只在微观世界有效，在宏观世界也同样适用。

这一讲我们就通过量子力学，来说一个常见的宏观概念，力，看看量子力学是怎么理解这个概念的。

你可能有过这样的经历：坐车的时候，司机一踩油门，你的背后就传来一股推力。这是加速度产生的推背感。而且，车的档次越高，这种推背感就越强。

你有没有想过，这种推背感到底是怎样产生的？这个力的本质是什么呢？

1 力是一个宏观展现的概念

我们日常生活中感受到的力，大都是复合感受。这就好比一束太阳光，表面上看是白色，我们拿三棱镜一分解就发现，其实存在好几种颜色。

量子力学就相当于这个三棱镜。我们把这种推背感分解以后，就会得到三种不同的排斥力。虽然有三种，但它们对你感受到的排斥力的贡献，是不一样的。

第一种是静电排斥力。这个很好理解，椅背里有原子核，有电子；原子核带正电，电子带负电。

正电和正电之间会相互排斥，负电和负电之间也会相互排斥。但这不是排斥力最主要的来源。

第二种是量子力学的不确定性原理。你的身体挤压椅背上的原子，想让每个原子都变小一点儿，就会感到一种排斥力。但这也不是排斥力最主要的来源。

贡献最大的是第三种，它来自量子力学的另一种原理，叫泡利不相容原理。提出这个原理的物理学家叫泡利。不相容很好理解，意思是说，我占了这个地方你就不能占了，我容不下你。

你的身体在往后靠的时候，原子挤在一起，一个原子的电子就有可能被挤到另一个原子那里。但是原来原子的电子占满了本来的地方，你要新加进来一个电子，就会感到一种排斥力。

有些科普书会把这种力叫作简并力。这才是推背感最主要的来源。

你看，一个简单的推背感，背后就有三种因素在共同作用。所以，力是一种复合的概念。不但如此，这些因素的效果也不是直接体现出来的，而是有层级的。

什么是层级呢？

比方说，如果把一个空的塑料瓶按到水里，按得越深，塑料瓶就越瘪，你肯定知道，这是水的压力。但你如果把自己缩小了，钻到瓶子里面看，就会发现这其实是因为水分子在碰撞塑料分子。

我们其实是把每时每刻分子碰撞产生的力，平均起来，称作水的压力。如果把它还原到微观层面，压力这个概念就没有了，只有分子间的碰撞和分子间作用力。

这种在微观世界是一种样子，在宏观世界是另一种样子的情况，就叫作有层级。

如果我们要找力的本质，肯定要把复合的力进行拆分，还要排除层级的干扰，把力还原到基本粒子层面。

这时你会发现，我们只剩下了四种基本相互作用。

2 最底层不可还原的就是基本相互作用

我先说一下，什么叫相互作用。

很多科普书说，相互作用就像两个人在扔球。我扔球的时候，向后一仰。你接住球以后，也向后一仰。

如果有个眼神不好的人站在远处看，他看不到球，就会以为，我隔空朝你施加了一个力，你朝我施加了一个反作用力。

所以，粒子就是通过朝其他粒子扔球来施加作用力的。这里说的扔球和接球的过程，都属于相互作用。

这个比喻很巧妙，但有个地方它没有说清楚。就是这个球，是一个粒子，也具有波粒二象性。所以，我们扔出去的其实是一朵粒子云。

你别忘了，我和你也是粒子，所以我们俩也是两朵云。如果你把自己缩小到量子尺度，就会发现两个粒子之间的相互作用，本质上就是两朵云，在不断发出和吸收第三朵云。

那么这第三朵云是什么呢？有的云可以拆分，我们就继续往下拆。当我们把所有的云拆到底层，不能继续拆分时，就会发现只剩下三种不同的云，分别对应三种不同的基本相互作用。

按照从强到弱的顺序，排第一是的强相互作用，它一共会扔八种不同的云，这些云都叫作胶子。有了它，原子核里的质子、中子才能稳定地存在。

强相互作用的作用距离很短，只在原子核内起作用，出了原子核就没效果了。所以我们平时感觉不到。

排第二的是电磁相互作用，它扔的云你应该很熟悉了，叫光子，就是我们前面提到，物理学家总拿它做实验的那个光子。

它贡献了我们平时听说的化学键、分子间作用力，以及各种宏观世界的力，比如表面张力，静电力，磁力等等。电磁力的作用距离很远，我们平时经常感觉到。

排第三的是弱相互作用，它会扔三种云，分别叫W+，W-和Z0玻色子。弱相互作用也只在原子核内有效，而且强度很弱，似乎没有什么存在感。但其实，弱相互作用很重要。

你可能听说过粒子物理学里有个概念叫标准模型。通俗地说，标准模型说明白了两件事，一件事是世界上一共有多少种粒子，一件事是每种粒子之间会如何相互作用。

这两件事合起来，就说明白了构造我们世界的底层逻辑是什么样的。但如果没有弱相互作用，标准模型中的粒子，就会少将近一半，相当于构造世界的底层逻辑完全变了。

这三种相互作用加上万有引力，就是世界的四大基本相互作用。但量子力学在说到基本相互作用时，只能解释清楚其中的三个。

就目前来说，万有引力还是广义相对论负责解释的，而量子力学和广义相对论这两套理论，还没有统一。我们在这，就先不说万有引力。

3 力的本质是能量随空间位置变化的剧烈程度

但你看，我介绍每种相互作用的时候，都会说在其中起中介作用的是各种云，是云就会有各种不确定性，不好衡量。其实在量子力学中，物理学家已经很少使用力这个概念了，而是会用一个更确定的概念来描述它，这就是能量。

请你想象一下，我带你去杭州灵隐寺的后山，那里是山峦起伏的丘陵。上山的时候，你会感到一股强大的力在把你往下拖，这个时候，你的能量就在变大。山越陡，你会觉得这股力越大，你能量变大的速度就越快。

但如果你走在平地上，比如在西湖边转悠，你会觉得这股力几乎不存在，这个时候，你的能量也不怎么变化。这种能量随着空间位置变化的剧烈程度，就是力的本质。能量变化剧烈，力就大；能量变化很和缓，力就小。

咱们还拿推背感来举例子。我刚刚说，泡利不相容原理为这种推背感贡献得最多。但为什么是它贡献得最多呢？

你看，泡利不相容原理要求，这个地方我占了，你就不能占。椅背里的电子特别多，大概有10的23次方那么多。你要想新加进来一个电子，就要让这一大堆电子给你腾一块儿地方，它们当然不愿意。

这就好比一幢摩天大楼，下面100层已经被人占满了。你要是想住进来，只有101层才有地方。但你要去101层，得一下子获得能去101层那么多的能量才行。能量变化这么大，你才会感到一种不可抗拒的排斥力。

物理学家做过一个简单的计算，这种电子产生的排斥力，大约比同样面积下的大气压力，还要大几十万倍。如果你很熟悉大气压力的话，就会知道它来源是大气压强。所以这种排斥力，其实也是一种压强，叫简并压强。

说起来，多亏简并压强这么大，我们的世界才能稳定存在。从宇宙尺度上看，万有引力才是主导整个宇宙的力。但像地球这样的行星，为什么没在万有引力的作用下把自己向内压塌呢？其中一个很大的原因，就是在地球的内部，有简并压强贡献的巨大排斥力。

那我们现在知道推背感是从哪儿来的了。它是各种相互作用和量子效应在不同层级下的复合作用。

三种基本的相互作用制造了稳定的原子核。电磁相互作用加上不确定性原理，贡献了化学键和分子间的吸引力，让原子变成分子，再让分子聚合成固体和液体。最后再加上泡利不相容原理，提供了一种排斥力，各种物体才不会向内崩塌。这种组合起来的排斥力，就是踩油门时的推背感。

你看，量子并不一定总是以掷色子、超光速这些神神道道的形式展现的。它还可以以吸引力、排斥力这种润物细无声的方式展现自己。在你不经意的时候，量子就在你身边。

 划重点

1. 力是一个复合的、有层级的宏观概念。

2. 我们可以把世界上所有的力，还原回最基本、不能再拆分的基本相互作用。

3. 所有力的本质，都是能量随空间位置变化的剧烈程度。

4. 是力让物质聚拢在一起，不会散架，也是它让物质内部有所排斥，不会崩塌。

给你留一个思考题。在日常生活里，力的概念涉及更多的方面，比如观察力、记忆力、判断能力、应变能力等等。学过了物理学上对力的定义，你对这些词有没有什么新的见解？说说你的脑洞。

除了力，物理学里还有一个很重要的宏观概念，就是质量。量子力学又是怎么理解质量的呢？我们下一讲见。

网友互动

按照课程的理解，力的本质是能量随空间位置变化的剧烈程度。那么可以由此字面脑洞一下：所谓观察力、记忆力、体力、判断力等可以类比为储存在人这个容器里的能量，只要不释放平时是看不到的，说一个人观察力强是指他对事物有敏锐的觉察，记忆力强是指他能过目不忘，体力好是指他能连续长跑不喘气，这些外人观察所得的结论就是这种能量被释放的过程抱歉编不下去了，感觉这脑洞好民科-_-||

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一开始看到泡利不相容原理的时候，觉得其貌不扬。后来体会到其精妙之处，是因为当时人们已经发现：原子是空的。

      1909年，卢瑟福做阿尔法粒子散射实验。用阿尔法粒子轰击金箔，发现大量阿尔法粒子是穿过金箔的，仅有少量阿尔法粒子发生较大的角度偏转，甚至于180度掉头。从现在的角度回头看，这已经提示了原子核是非常非常小的。

      原子核到底有多小呢？假设一个氢原子的原子核有一个人那么大，那么它电子轨道相当于上海到北京。这么大的间隙，两样物体遭遇时应该互相穿过才对。于是才有了泡利先生的奇妙思想。

      相传泡利先生是在参加舞会时产生的灵感，一对男女舞伴就像质子与电子，再要有第三者插足，必然被无情驱赶，一山难容二虎，是为不相容。