阿宅物理第7話——基礎交互作用與原力（第四部曲）：原力決選

原文同步刊登於泛科學

在沒有很久以前、也沒那麼遙遠的銀河系裡…...[1]
為找出原力的祕密，我們探索了作為基礎交互作用的電磁力、弱力、強力和重力。然而，原力並不在其中，我們心裡也忍不住起了疑惑…...

星際大戰開頭必備的跑馬燈。（圖片來源）

在前三回，我們討論了目前已知的四種基礎交互作用（電磁力、弱力、強力和重力），以及它們的基本原理。很可惜地，當中並沒有原力。不過，在這四種基礎交互作用中，有沒有可能存在著與原力性質類似的力呢？

交互作用的距離

原力最為人熟悉的用途之一，是能隔空取物。在《星際大戰第五部曲：帝國大反擊》（舊三部曲的第二集），絕地大師尤達便向年輕的主角路克示範原力，將太空船從沼澤裡升起；類似的情節也反覆出現在星際大戰各集之中。

針對這一特點，我們可以從既有的基礎交互作用性質，做一些比對和猜測。以前曾提及的電磁力、弱力、強力和重力，適用範圍其實各有不同。弱力和強力基本上只作用在比原子更小的尺度；電磁力和重力則不受距離限制，整個宇宙都是它們的發揮空間。除此之外，各交互作用的強度也大不相同；在四者皆能產生作用的距離下，強力最強，電磁力次之，弱力排第三，重力最微弱。若以表格呈現，大致如下：

交互作用	傳遞粒子	作用範圍（公尺）	作用強度（比例）[2]
強力	膠子	10-15	10
電磁力	光子	∞	10-2
弱力	W、Z粒子	10-18	10-13
重力	重力子（尚未觀測到）	∞	10-42

從上表看來，既然原力可以遠距離移動物品，作用範圍極短的弱力跟強力只能出局了。而根據我們日常生活經驗，重力和電磁力也確實能夠從很遠的地方就發揮作用。例如，地球磁場雖然是在地球內部生成，卻能夠影響我們手中的指南針；我們從高樓丟出物品，地心引力可以隔空作用使其下墜。

遺憾的是，雖然重力和電磁力原則上都可以對遠處物體作用，人類卻不具有操控重力的能力和技術。若想利用重力做到如星際大戰電影中自由移動物體的效果，要麼學《航海王》的海軍大將藤虎借助重力果實的能力，抑或等待我們對重力有更深層的了解，才有一絲希望。

《航海王》裡，海軍大將藤虎施展重力果實能力。（圖片來自《航海王》動畫）

相較之下，我們對電磁力倒是有一定程度的掌握。俄羅斯裔荷蘭兼英國物理學家安德烈．蓋姆（Andre Geim）便曾利用水的反磁性[3]成功使青蛙漂浮在空中，並因此得到西元 2000 年的搞笑諾貝爾物理獎[4]。只不過，電磁力的使用很大程度受到物體所帶電荷、或物體本身性質的限制，要作為原力並不是那麼理想。

• 利用強大磁場以及水的反磁性，使青蛙漂浮在空中。

交互作用的統合

提到重力和電磁力的作用範圍都是無限遠這件事，或許會讓不少人回想起 （並沒有），根據以前國、高中物理課所學，重力和電磁力，似乎有不少相似的地方。例如，兩個質點間的重力／電磁力大小，跟其質量（電荷）乘積成正比、和彼此距離平方成反比；再者，兩者也都以光速傳遞。如果你有這樣的疑惑，那麼你想的跟物理學家想的，其實概念相去不遠。

愛因斯坦在完成相對論之後，晚年花費大量時間與精力，想要把當時已知的基礎交互作用──重力和電磁力──統合在一起。這不是突發奇想，類似的事情在歷史上也曾發生過：電和磁相關的物理現象一度被人們認為分屬兩個不同領域，直到十九世紀後半，馬克士威（James Clerk Maxwell）以統一的架構描述二者，電和磁才合併為電磁力。只要簡單搜尋一下馬克士威方程組（Maxwell's equations），就會發現它同時包含了電場和磁場，而且兩者互相影響。

很可惜地，愛因斯坦的嘗試以失敗作終；至今也沒有人成功合併重力和電磁力。以後見之明來看，愛因斯坦是註定要失敗的：在他的年代，物理學家對弱交互作用所知不多，強交互作用更尚未被發現。少了兩種基礎交互作用可以參考，愛因斯坦、或其他任何人，都不可能在資訊不足的狀況下統合電磁力和重力。事實上，在四種交互作用中，重力是最難被整合在一起的。根據前面的表格，我們可以看到重力跟其他作用力相比，微弱到不可思議的地步！要如何在同一個理論下，自然地統合重力和其他力，讓物理學家傷透了腦筋（但這還不是最麻煩的）。

愛因斯坦的未竟之業，在 1960 年代終於有了轉機。因著格拉肖（Sheldon Glashow）、薩拉姆（Abdus Salam）和溫伯格（Steven Weinberg）等人的努力，電磁力和弱力被成功統合為電弱交互作用（electroweak interaction）[5]。兩者乍看雖差距甚大，但在極微小的尺度（或夠高的能量）下，卻能夠被表述為電弱交互作用的不同面向。類似於，在日常的磁力實驗（想像我們拿兩個磁鐵互相靠近），我們只看到磁鐵的互相吸引或排斥，好像跟電沒什麼關係；但在某些狀況、或特別設計的實驗下，我們就能觀測到磁場和電場互相影響的情形。同樣地，只要尺度夠小，看似非常不同的電磁力和弱力，都可以用電弱交互作用一併描述。

儘管在統合基礎交互作用的目標上有了初步進展，強力和重力卻依然故我、獨立存在，不跟弱力和電磁力發生關係。這部份也跟人類的科學技術有關──強力和重力預期要在更小（遠超目前人類實驗所能及）的尺度，才會顯現出它們跟其他交互作用的連結。換言之，我們不但沒辦法從實驗得到太多暗示，即使我們有了好的理論，也難以驗證其正確性。這都有待未來物理學家的持續挑戰。

交互作用統合示意圖。縱軸代表宇宙年齡；右方則標示該宇宙年齡對應的粒子能量。縱軸越往上表示宇宙年齡越小、對應粒子能量越高（尺度越小）。我們現在實驗所能達成的能量，最高只到 10000 GeV（10¹³ 電子伏特）這個量級，也就是只能檢驗到宇宙誕生後約 10 的負十幾次方秒時的物理現象；當時電磁交互作用和弱交互作用仍是合在一起的。（圖片來源）

原力的最可能候選？

那麼，原力還有沒有其他特徵，可以讓我們更好地跟現有的交互作用比對呢？在《星際大戰第四部曲：曙光乍現》裡，歐比王對天行者路克是這麼解釋的：「（原力）是所有生物形成的力場，它在環境中，在我們身上，它維繫銀河於不墜。」根據歐比王的形容，國外鄉民紛紛猜測，原力一定是指萬用膠帶！「畢竟萬用膠帶（跟原力一樣）也有光明面和黑暗面，還可以把東西黏捆聚集在一起……」

歐比王（右）跟年輕的路克（左）解釋原力。

不過，若說到基礎交互作用，重力似乎最符合「維繫銀河於不墜」的描述。我們知道，就是因為太陽龐大的引力，太陽系裡的所有行星才能繞著太陽轉，形成一個系統；銀河系裡的所有恆星系統，也都在重力作用下圍繞銀河系中心運行。又或者說，整個宇宙的演化，乃至星系、恆星，和行星的生成，重力都扮演了關鍵性的角色。如果硬要在四種基礎交互作用中選出一種充當原力，重力可說是最恰當的候選者。不過其實，要保持宇宙的現有樣貌，四種交互作用缺一不可；組成我們身體的原子，也同時受到所有交互作用的影響。

交互作用和心靈控制

等等！星際大戰中，原力可不只是拿來搬搬石頭、維繫銀河這麼簡單。在《星際大戰第七部曲：原力覺醒》裡，女主角芮甚至用原力改變帝國風暴兵的心智，而得以從拘禁中逃脫。這是怎麼回事？重力做得到嗎？

確實，就我們目前所有的科學知識來說，用基礎交互作用來操縱心靈這種事是無法想像的。所以，我們只能腦洞全開，設想如下的腦補極大化三部曲，分別對應到括號裡三個非常困難的科學問題。

一、假設我們跟海軍大將藤虎一樣吃了重力果實，或用某種科學技術，可以自由控制重力的大小和方向，壓過其他交互作用的影響並操縱所有物體，包括原子和次原子粒子。（我們有可能操控重力嗎？）

二、假設人的意念和思考完全由大腦決定，或說，由大腦的原子結構決定。儘管現實上，我們對於大腦原子結構如何能產生意識幾乎一無所知。（意識從何而來？）

三、那麼或許，能夠自由控制重力以操縱大腦的原子結構，就等於能夠自由操縱人的思想。（思想和記憶如何對應到大腦組成及其原子結構？）

這邊必須強調，以上三個問題，沒有任何一個在近未來看得到顯著進展。在此的討論純為原力探尋之旅做個補完。

原力探尋之旅的終點

我們在〈基礎交互作用與原力〉系列共四篇文章中，討論了目前已知的四種交互作用，以及它們的統合；很可惜地，它們並無法完美對應到星際大戰中的原力。雖然不能排除未來發現新的基礎交互作用的可能性，但其擁有原力全部特徵的機會恐怕是微乎其微。

絕地大師尤達在《星際大戰第五部曲：帝國大反擊》曾形容：「生命創造原力，使之成長。」或許這樣的描述，更適合留在文本裡，與七龍珠的「氣」、火影忍者的「查克拉」、或是聖鬥士星矢的「小宇宙」互相對照吧。願原力與你同在！

注解：

• [1] 請參考電影〈星際大戰（Star Wars）〉。該系列電影開頭總會有 “A long time ago in a galaxy far, far away....” 的跑馬燈字幕。
• [2] 必須注意的是，交互作用強度實際上依情況而定，這邊的數字只是大概，而非精確數字。
• [3] 反磁性（Diamagnetism）指的是，當某些物質處於外加磁場中，其內部會感應生成相反方向的磁場，使得該物質對外部磁場產生排斥現象。
• [4] 他更因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」獲頒 2010 年的諾貝爾物理獎，成為至今唯一一位既獲得搞笑諾貝爾獎，也獲頒諾貝爾獎的得主。
• [5] 三人因此得到 1979 年的諾貝爾物理獎。

參考資料：

• David Griffiths (2008) Introduction to Elementary Particles, Second Edition.