互动科普

通过“抛接基本粒子”产生引力和斥力

除了作为物质成分的基本粒子（电子和夸克）之外，自然界另外还有一些起着非常重要作用的基本粒子。它们是“传递力的基本粒子”。

物体无需彼此接触便会互相施加万有引力或磁力，这难道不值得奇怪吗？在物理学中，将彼此不接触的物体之间也有力的作用解释为“物体之间在互相抛接基本粒子”。

我们来考虑分别站在湖面上两只小船上的两个人互相抛接小球的情形。抛出小球，必须用手给小球一个推力。与此同时，手也受到了小球的一个反作用力（作用和反作用定律）。因此，抛球者所在的小船会向后倒退。再来看接球一方。接球者用手接到抛来的小球，他的手受到来球的作用，所在的小船会被推开。这种情况相当于两只小船受到一个倾向于把它们分离开来的斥力的作用。

假定这次两只小船上的人不是互相抛接小球，而是背对背地互相抛接一种会向后拐弯的回飞棒（又叫“飞去来器”），结果又会怎样？根据作用和反作用定律，这时两只小船应该倾向于互相靠近，即相当于受到一个互相牵拉的引力的作用。

从以上这个比喻我们可以想到，在基本粒子层次，构成物质的基本粒子是通过互相抛接一种“传递力的基本粒子”来向对方施加作用力。例如，在电子这种具有电荷的基本粒子的周围有一种叫做“光子”的光的基本粒子在不断地产生和消失，电子和原子核就是通过互相抛接这种光子来向对方施加静电吸引力。

支配基本粒子的“四种基本力”

在基本粒子层次只有四种基本力。这其中，在日常生活中起作用的是①电磁力和②万有引力（重力），仅在基本粒子层次才起作用的是③强力和④弱力。强力是将夸克结合在一起形成质子或中子的那种力。弱力则是将一种基本粒子改变为其他种类基本粒子的那种力。传递这四种力的基本粒子分别叫做①光子、②引力子、③胶子和④弱玻色子。

图1. 作用在基本粒子之间的四种力 

基本粒子之间彼此交换“传递力的基本粒子”而产生力（相互作用）。

在刚诞生出来的宇宙中曾经有“反粒子”存在

前面介绍的这些基本粒子，对应其中的每一种，都像一卵生的双胞胎那样还存在着与之配对的孪生兄弟。例如同电子配对的是质量与之相同的“反电子（正电子）”。不同的是，电子带有负电荷，而反电子带有正电荷。质量等性质与某种基本粒子相同，只是所带电荷的正负与之相反的配对粒子叫做该种粒子的“反粒子”。在我们的周围基本上不存在反粒子。不过，在加速器中可以人工制造出反粒子。

反粒子与它的配对粒子相遇会释放出巨大的能量，两者同时消失（成对湮灭）。两者的质量按照公式“E＝mc²”全部（100%）都转化成了能量！与成对湮灭相反，也存在着粒子和反粒子同时生成的“成对生成”现象。

反上夸克和反下夸克结合在一起可以形成反质子或反中子。在一个反质子的周围添加一个反电子，则形成反氢原子。反氢原子可以在实验中实际合成产生，尽管数量极少。从理论上说，甚至也可以形成反水分子或反DNA。由反粒子构成的物质叫做反物质。村山博士指出，“由反水分子聚集在一起形成的‘反水’在外表上应该同普通水毫无区别”。

图2. 什么是反粒子？

各种粒子都存在着与之配对的具有相反电荷的“反粒子”。粒子和反粒子成对产生（成对生成），两者相遇则释放出巨大能量而一同消失（成对湮灭）。

反粒子为何会消失不见？

根据宇宙诞生的“大爆炸”理论，在当初诞生出普通粒子同时也应该诞生出相同数量的反粒子。可是在现在的宇宙中，除了个别特殊情形，却没有反粒子存在。对于这个事实的理论解释是，在宇宙刚诞生出来不久，粒子和反粒子通过成对湮灭基本上都消失了，只是由于粒子的数量比反粒子的数量略微多一点（理论计算的结果是仅多大约10亿分之1），才会有多余的粒子留存下来。事实上，反粒子为何会消失不见而只留下粒子，这个问题的细节现在还是一个谜。这正是有待继续研究的一个课题。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）