下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
在前文中我们提到，原子由一个极小的原子核和它周围更小的电子组成。如果这就是原子的全貌，一个原子中的绝大部分空间都将空无一物，这意味着由原子组成的我们也几乎空空如也。按这个逻辑，墙壁也没有任何不同——没什么能阻止我们穿过一面墙！显然这样的推测有些不太对劲，而答案就藏在粒子间的相互作用中。
人造卫星在太空中环绕地球运动，但它被地球、月球、太阳乃至更遥远的天体所施加的引力束缚着。用物理学家的话来说，这些物体的引力场“渗透”了它们与人造卫星之间的空间。场（field）这一简略的说法实质上是指将某种物理性质关联至一块区域中的空间和时间点。例如，展现一天中不同时间风速的交互式气象图就代表着一个场，风速则是与其相关的物理性质场强。我们将场本身存储的能量称为势能（potential energy），因为它有转化为其他形式能量的潜在可能，例如与运动有关的能量——动能。
相应地，原子中的自由空间渗透着带电粒子所生成的电磁场。正是这些场令我们无法穿过墙壁，尽管我们几乎是“空的”。在原子中，原子核之外不存在其他显著的场：电子不参与强相互作用，因此不存在强相互作用场；而弱相互作用和引力的效应比电磁相互作用微弱得多，可以忽略不计。原子中的引力只有电磁相互作用强度的1/10 40 。
在原子中，原子核与电子通过彼此间不断交换光子传播电磁力。光子是电磁相互作用的载力子（force carrier），这很像是两个人通过传递一个球来相互“沟通”。如果这个球非常轻，人们就可以把它传得很远；但随着球质量增加，它能够被传递的距离会缩短。同样的道理也适用于粒子：被交换的粒子越重，力的“程”就越短。也就是说，力程与被交换的粒子质量成反比。因为光子的质量为0，所以电磁力的力程是无限的。
这样的交换也发生在原子核中的各个质子之间。遵循电荷间“同性相斥，异性相吸”的规律，质子间的这种交换会很快使原子核分崩离析，因此一定存在一种吸引力与之相平衡。这种吸引力是强核力，它对质子和中子而言是相同的，并且与粒子所带电荷量无关。原子核中的中子会增加原子核质量并提高结合力，且在大多数情况下并不会降低原子核的稳定性。强核力与电磁力之间的平衡还决定了铀原子的原子核为什么是天然存在的最重的原子核（它最常见的形态包含92个质子和146个中子）。参与强相互作用的粒子，诸如核子及20世纪40年代至50年代发现的寿命短暂的共振态，被统称为强子，hadron（强子）一词源自意为“厚”的希腊语单词。
在强子内部，夸克间的弱相互作用和强相互作用也会生成场，并带有相应的载力子。弱相互作用中有三种这样的载力子：带电的W + 和W - 粒子（前者带正电荷，后者带负电荷）以及不带电的Z 0 粒子。与光子不同，这三种粒子非常重，质量是质子的80～90倍。这使得弱相互作用的力程非常短，仅有约10 -18 米。1983年，实验证实了W ± 和Z 0 粒子的存在。强相互作用中的载力子有8种，全都不带电，这些被称为胶子（gluon）的粒子因其将夸克“黏”在一起形成强子而得名。胶子不具备质量，因此强相互作用的力程是无限的，与另一种基本相互作用电磁力相似。强相互作用的理论解释了为什么夸克和胶子无法以自由粒子的形式被观测到，因为夸克被永久地束缚在了强子之中。
乍看之下，我们似乎得到了两种强相互作用，但事实并非如此。存在于核子以及其他强子间的强核力是构成它们的夸克之间更为基本的强相互作用的累积效应，就好比原子之间的电磁力实质上是原子内的带电粒子，也就是电子和质子间的更基本的电磁力的累积效应。正如原子之间的电磁力比基本电磁力的力程短一样，强核力也比夸克间基本强相互作用的力程要短。强核力的力程约为10 -15 米，比弱相互作用的力程长得多。
中子为什么能够通过弱相互作用衰变？要知道，其中涉及的W粒子质量是中子自身质量的80倍。这违背了日常生活中的规律，好比有一辆总重1吨的卡车打开车门卸下了重达80吨的货物！然而，在量子物理学的世界中，我们往往不能盲目地依赖常识。量子物理学中有个被称为不确定性原理（uncertainty principle）的重要限制，最早由德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）提出。根据这一原理，能量守恒定律可以在一段有限的时间内被打破。随着违反能量守恒定律的能量增加，“借出”的能量必须被“归还”的时限会相应降低。不确定性原理是弱相互作用的力程如此之短的“罪魁祸首”，因为它决定了一个W粒子在必须被另一个粒子吸收前可以移动的最大距离，这将“抵消”之前不守恒的能量并确保整体的能量守恒。
各种相互作用伴随着各自特征性的相互作用时间。例如，质子的半径约为10 -15 米。一个以光速（3×10 8 米／秒）运动的粒子横穿质子需要大约10 -23 秒。如果这个粒子也是强子，受到强核力的影响，它会在这段时间内与质子发生相互作用。再比如，一个在强核力影响下衰变的不稳定粒子的寿命应当在10 -23 秒的量级，与强子共振态相仿。与此类似，如果一个粒子通过电磁相互作用衰变，它的寿命通常为10 -21 ～10 -15 秒，在弱相互作用下衰变的粒子寿命则为10 -14 ～10 -7 秒。不过，这些只是粗略的估计，现实中还有其他因素，尤其是衰变过程中释放能量的多少，会显著改变实际粒子寿命。释放能量较少的衰变受到更多抑制，与之相关的粒子寿命会更长。其中一个例子是只比质子重0.1%的中子，一个自由中子能够通过弱相互作用衰变为一个质子、一个电子和一个中微子。因为中子与其衰变产物间的质量差非常小，所以它的寿命是以分钟计的，而不像其他参与弱相互作用的粒子寿命通常仅为几分之一秒。