弱力为什么如此弱

关于粒子物理学，人们可能会问很多问题，其中的一个问题是为什么三个亚原子力当中，弱力会如此弱？在质子大小的距离尺度上强力是最强的，电磁力大约是强力的百分之一，弱力的强度仅为强力的0.001%。要了解这其中发生了什么，需要先了解一些事情。

首先，光子是介导电磁力的粒子，它没有质量也不带电荷。对于弱力，有两个粒子介导相互作用：它们是W和Z玻色子。这两个粒子都非常大，W 玻色子带电荷而Z玻色子是中性的。但是，为了更简单的说明，我们只比较光子和Z玻色子，但最后的结果具有普遍性。为此，我将描述一个具体示例：夸克和反夸克聚集在一起并湮灭成一个携带力的粒子，然后衰变成一个电子和反电子。

如上图所示有两个费曼图，它们显示了正在发生的事情。在左侧的费曼图中，我们看到夸克和反夸克结合在一起形成一个光子，然后衰变成电子和反物质电子。在右侧费曼图中，我们看到了同样的东西，但是光子换成了一个Z玻色子。

虽然费曼图是帮助我们可视化的图，但它们也是伪装的方程式。在这种情况下，每个图包含七个元素。有两个入射粒子和两个出射粒子，然后是发生交互的两个顶点，最后是携带粒子的力。因此，我们可以写出一个方程式，将所有这些组合在一起：它等于入射粒子1×入射粒子2×出射粒子1×出射粒子2×创造顶点×衰变顶点×携力的粒子。

那么，既然这个方程结构控制着两种相互作用，而且它们的费曼图非常相似，那么究竟是什么差异使得弱力比电磁力弱得多？我们看到在这两种情况下传入和传出的粒子是相同的，所以它们不可能是差异的来源。顶点项中包含相互作用的电荷，但是如果我们实际计算弱力电荷和电磁电荷，我们会发现它们的大小非常相似。现在我们只剩下载力粒子这一项，它就是解释弱力太弱的原因，但它是如何发生的呢？

为了迈出下一步，我们需要谈谈海森堡测不准原理，这是量子力学的原理之一。人们常说这意味着你不能同时测量粒子的动量和位置，但不确定性原理还有另一种表达方式，即如果你观察一个粒子的时间越短，你对粒子能量的测量就会越不精确。而且，由于能量和质量通过爱因斯坦质能方程联系在一起，这意味着粒子的质量也可能与预期的不同。

基本上这就是说，虽然光子的质量为零，但如果光子参与的相互作用时间很短，那么在那一瞬间，光子可能有质量。同样，Z玻色子的标称质量为 91GeV/c²，但其实际质量可能会因非常短暂的相互作用而有所不同。事实上，我们对Z玻色子已经研究得很透彻了，我们知道它的质量确实有一个范围：在89.5到94.5GeV/c²之间。而这只是正常范围，任何特定Z玻色子的质量都可以介于0电子伏特和无穷大之间，但在正常范围之外发现它是非常罕见的。现在我们终于可以回答为什么弱力如此弱的问题：它归结为能量。

使用弱力的放射性衰变类型称为β衰变：中子衰变成质子并发射电子和中微子。这种衰变的一个例子是碳14衰变，它被用来确定一些物体的年龄。如果你更深入地观察它，你看到的本质上是中子发射一个W玻色子，然后它衰变成一个电子和一个中微子。我们可以计算出这个特定的W玻色子的质量必须为0.002GeV/c²。

现在W玻色子的正常质量范围在78到82GeV/c²之间，这意味着对于质量为 0.002GeV/c²的W玻色子来说，由弱力进行的相互作用非常弱。这是一个能量问题，也是制造如此轻的W玻色子的概率问题。

事实上，弱力在三个力中不一定是最弱的。例如，顶夸克通过发射W玻色子衰变成底夸克。它的衰变速度如此之快，以至于它发生在电磁或强相互作用之前。事实上，在顶夸克相互作用中，弱力是最强的力。再一次，原因是能量。一个顶夸克的质量为172GeV/c²，因此它有足够的能量衰变成一个有80GeV/c²的W玻色子。

但是，这只是一种弱力变得超强的特殊情况。在能量比顶夸克低得多的核物理世界中，衰变只涉及大约0.002GeV/c²的能量，因此在一般情况下它是很弱的。