Question

引力为什么在四大基本力中是最弱的？

Answer 1

引力为什么在四大基本力中最弱，我们要从标准模型说起 现在基本粒子和四大作用力的标准模型已经构成了现代物理学的两大支柱之一，随着希格斯玻色子的发现，我们已经解释了基本粒子质量的来源。可以说标准模型是一套很成功的科学理论，但这并不意味着科学已经结束，我们已经获得了宇宙真理的标准。只能说标准模型只完成了宇宙这个谜题的一部分。

万有引力实际上比宇宙中所有已知的力平均要弱40个数量级。这意味着引力比其他三种力弱10^40倍。把这个数字写出来就是这样的：10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000，这个数字足够让我们感到震撼。

如果要让两个质子克服它们之间的库仑力，在万有引力的作用下聚集在一起，那么我们就需要“制造”一个重量是正常质子的10^20倍的质子。

如果我们想让上图中的反应发生，也就是将两个质子融合在一起，就需要10^56个质子提供的万有引力才能克服库仑力，这个质量也是一个恒星最少的质量！

我们不知道宇宙为何是这样运作的？为什么引力比其他力弱这么多？为什么“引力电荷”（即质量）比电荷或颜色电荷弱（夸克色荷）得多？

这就是力的等级问题。其实我们也有一些不错的解决方案，并且有一个工具可以帮我们验证方案的可行性！
大型强子对撞机能否为我们解决这个问题

大型强子对撞机包括创造以前从未见过的新粒子（如希格斯粒子）、我们熟悉的老标准模型粒子（夸克、轻子和规范玻色子），如果新粒子存在，大型强子对撞机可以产生任何可能超出标准模型的粒子。

目前有四种可能的方式可以解决层次问题。对于实验来说，如果这些解决方案中有任何一个是大自然所选择的，那么LHC将会找到它！目前还没有显著的统计结果有力地表明，在标准模型之外还观察到了任何新的物理现象。那么什么是可能的、合理的解决等级结构的方案?

1、超对称性，简称SUSY。
超对称性是一种特殊的对称性，它会导致正常物质的质量变大，引力的强度会变得与其他力相当，差异会被高度精确地抵消。超对称性还意味着，标准模型中的每个粒子都有一个对称的超粒子伙伴，并且有5个希格斯粒子和5个希格斯超级伙伴。这样就会给我们带来额外的质量。但是目前我们并没有发现超对称粒子的存在。

2、扭曲的额外维度。
这个理论认为引力和其他的力一样强大，但在我们的三维宇宙中不是这样。引力处在一个不同的三维空间中，引力与我们的宇宙在第四空间维度上有10^-31米的距离，这说明引力可能不完全作用在我们的宇宙中。而且这个理论可以提供一个可能的解释，解释为什么我们的宇宙一开始呈现出指数膨胀。

扭曲的额外维度就需要一组额外的粒子，称为卡鲁扎-克莱因粒子，这是存在额外维度的直接后果。值得注意的是，一项太空实验暗示，可能存在一个能量约为600 GeV的卡鲁扎-克莱因粒子，相当于希格斯玻色子质量的5倍。

当LHC达到最大能量时，一个质量低于1000gev的新粒子应该在这台机器的范围内。希望我们能发现这个额外维度的粒子。
3、大的额外维度。
额外的维度可以是“大的”，而不是扭曲的，因为大的维度相对于扭曲的维度只有10^-31米这么大。“大的”额外维度大约是毫米大小，这意味着新的粒子将开始出现在LHC能够探测到的范围内。同样，会有新的卡鲁扎-克莱因粒子，这可能是等级问题的一个可能的解决方案。

当然，对于力的等级问题，要么有一个完全不同的解决方案，要么根本没有解决方案；这可能只是自然界的一种方式，可能没有任何解释。

虽然，在平时我们感受不到空气的存在，但如果完全抽真空的话，一个大气压的压力却是大得惊人的。最为著名的例子，是两百多年以前，德国的一位市长为了证明空气的存在，用两匹马拉两个一人高的半球。这个由两个半球组成的球体被抽真空后，不仅粘合在了一起，而且竟然两匹马都没有把它们拉开。

这是因为我们的地球被许多气体分子包裹着，这些气体分子具有无规运动的热能。如果是一个开口的袋子，里外气体分子的无规碰撞是完全对称的，则该袋子并无异常。然而，如果抽真空的话，空气的对称性遭到了破坏，袋子就逐渐地被压缩，挤皱在一起。因此，在一定的范围内，抽真空的程度决定了实际气压的大小。

所谓空间，就是物体存在的物理背景。不同的粒子集合，构成了不同的空间，它们对物体的影响也是不一样的。例如，当我们游泳时，水是运动的空间，其会产生阻力。此时，空气是可以忽略不计的。同理，当我们百米赛跑时，空气是运动的空间，风阻的影响很大，而观众的影响却是完全不存在的。

那么，是否有一种物理背景对所有的物体都会产生影响呢？当然有，该物理背景因此被称为我们宇宙的本底物理背景。这一物理背景一定是由不可再分的最小粒子构成的。因为，无限可分的粒子等于无；而仍可被分割的粒子构成的空间，并不是本底物理背景。例如，水分子或气体分子构成的水或空气。

我们的宇宙仅只是自然界的一部分，是一个相对独立的封闭体系。因此，在宇宙中，一定存在着不可再分的最小粒子，该粒子是宇宙的基石。问题是如何寻找这一最小粒子呢？实际上，德国物理学家普朗克早在1900年就已经给出了答案。

我们知道，能量是关于粒子运动能力的度量，只有存在着不可再分的最小粒子，能量才是不连续的。为了避免连续的能量产生紫外灾变，普朗克在其新建的黑体辐射公式中，添加了一个量纲为粒子角动量的物理常数h。于是，该公式消除了无穷大，可以准确地描述不同频率的光对外辐射的分布情况。

所以，普朗克常数h定义和定量的粒子，就是我们寻找的最小粒子。为了突出该粒子不可再分的特性，我们就称之为量子。所以，量子是宇宙的基石，无数个量子的集合构成了宇宙的本底物理背景，形成了量子空间。

1965年宇宙的微波背景辐射温度的被发现，不仅证明了量子空间的存在，而且还具体地给出了单个量子的平均能量。虽然，量子空间的温度只有绝对温度2.7k，由此换算出单个量子的能量是非常小的；但是，集腋成裘，量子空间的密度极大。所以，类似于空气和水的压力，量子空间的压力是异常巨大的。于是，各种相互作用力都是由量子空间的对称性破缺所产生的。说白了，就是空间量子对物体的不对称碰撞。

之所以存在着不同的作用力以及它们的大小有着天壤之别，是因为造成量子空间不对称的方式不同，因而引起量子空间不对称的程度也是不一样的。如果用空气类比的话，就是抽真空的方式不同，抽真空的程度决定了实际的空气压力。

比如，量子空间在空间量子的间距处，是空间连续与不连续的分界线。此处极易产生量子空间的不对称，这就是强相互作用产生的原因。因而，最小原子核的半径，就近似地等于空间量子之间的距离。

比如，物质是由高能量子的运动所形成的封闭体系，因而会对外辐射热能。于是，每个物质都会以自己为中心，使量子空间形成热的梯度分布。当两个物质相遇时，热的梯度分布中心转移到了两者的质心。类似于两个漩涡相遇，合成了一个更大的漩涡。于是，这两个物质会受到量子空间的挤压，向它们的质心靠拢。这就是万有引力。

好，现在我们可以回答题主的问题了。万有引力之所以远小于强相互作用力，是因为物质的热辐射对量子空间造成的不对称影响微乎其微。因此，只有巨大的天体，才能够显现出万有引力的作用。

总之，空间不空，物质不实。作为最小粒子的量子空间是宇宙的本底物理背景，会对所有的物质都产生影响。只是，其对于物质的影响大小，取决于物质引起该空间对称性破缺的方式与程度。

力与密度有关，即与物质质量的多少（电磁力是电量的多少）、作用距离的远近有关。