8-1基本理論與架構

1.四種基本交互作用

「基本交互作用」為物質間最基本的交互作用，常稱為「自然界四力」或「宇宙基本力」。迄今為止觀察到的所有關於物質的物理現象，在物理學中都可藉助這四種基本交互作用的機制得到描述和解釋(於物理學中扮演著極為重要的角色)。

名稱	相對強度	作用範圍	傳遞的中間玻色子
強交互作用 (強核力)	1 (以此為基準)	10-15米	膠子
弱交互作用 (若核力)	10-13	10-18米	W及Z玻色子
電磁交互作用 (電磁力)	1/137	無限大	光子
重力交互作用 (重力)	10-39	無限大	重力子

基本交互作用為物質間最基本的交互作用，常稱為自然界四力或宇宙基本力。迄今為止觀察到的所有關於物質的物理現象，在物理學中都可藉助這四種基本交互作用的機制得到描述和解釋。「大一統理論」(後面會提到)認為：強交互作用、弱交互作用和電磁交互作用可以統一成一種交互作用，目前統一弱交互作用和電磁交互作用的「電弱統一理論」已經獲得實驗證實。

 

 

2.四力的誕生與進化

四力的根源其實是一個力，因為在溫度極高的宇宙最初期，只有一個「力的統一理論」。由於溫度漸漸下降，所以又從唯一的力中首先分出「重力」(約10^-43秒)。重力又成為一個可獨立產生作用的力，又從剩餘的力中分出了「強力」(約10^-36秒)。重力出現的那時宇宙溫度達10³²K，強力出現時降為10²⁸K。後來再分出「弱力」和「電磁力」，那時宇宙溫度已降到10¹⁵K，這就是根據「力的統一理論」所分析出來的「力的產生情形」。      

(右圖為力的進化模式圖)

 

 

 

 

 

 

3.大統一理論

「大統一理論」(或稱大一統理論)是關於強相互作用和電弱相互作用統一的一個理論，希望能藉由單一個理論來解釋強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用導致的物理現象。19世紀中葉，電和磁還被看成是兩種獨立的事物，但馬克士威研究證明它們實際上是現在叫做電磁現象的同一種基本相互作用的兩個方面，可以用同一組方程式加以描述。到20世紀中葉前，這一描述又改進到包括了量子力學效應，它以極高精度正確預言了諸如電子等帶電粒子相互作用的性質，故大一統理論是物理界邁向萬有理論(後面會提到)的踏腳石。

 

(上圖左：大統一理論的組成 / 上圖右：萬有理論架構簡圖)



 

 

 

 

4.理論的架構

在本篇，我們必須提到「大統一理論」、「弦論」以及「M理論」，這些理論我們大概已經知道大統一理論。如右圖，物理理論可以俄羅斯娃娃的型態描述，從而一層一層探討。但是，這探討並不是無限綿延，這些理論或許就像俄羅斯娃娃一樣，有個最小的、無法再拆脫的娃娃，而那娃娃或許就是蒲郎克尺度的理論，也就是理論的限度，有可能便是爾後所提到的M理論。如果硬要將那最小的「娃娃」拆開也不是不可能，只不過那樣是白費工夫，因為蒲郎克尺度是意義的界線，小於此則無所謂的「意義」。