第四节  力的交换机制和碰撞机制

1928年海森伯(Werner Karl Heisenberg)与狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac，）同时提出交换相互作用概念，引入交换力。

许多物理学家相信，两个物体间的任何一种相互作用是通过交换粒子来实现的。例如认为强相互作用是交换介子。

1935年日本物理学家汤川秀树提出了核力的介子理论，这个理论认为核子之间的相互作用是通过一个核子放出一个p介子、另一个核子吸收这个p介子而形成的。p介子有三种带电状态：p⁺、p^–、p⁰。质子和质子、中子和中子之间交换的是p⁰介子，交换前后各个核子的电荷不变；质子和中子之间交换的是p⁺、p^–介子。

人们普遍认为，电磁相互作用是交换光子；弱相互作用是交换中间玻色子；万有引力相互作用则是交换引力子。

力的交换机制把问题复杂化，存在许多令人困惑的问题。我们无法弄清楚交换的实质是什么和这一过程是如何实现的。只要稍微分析一下，就会发现如下问题：

1．对于万有引力而言，如果物质极小的话，组成它的粒子数总是有限的。但它周围物质的粒子数则可以是无限的，要和周围的每一部分物质发生作用，就必须与各个部分不断交换粒子。

如果引力子是有质量的话，这就有可能出现如下情况：对于一个较小的物质而言，它所含的引力子总是有限的，而空间的物质是无限的。就会出现这样的情况：把这种物质所有的粒子全部拿来和周围物质交换还不够用呢！也就是说，它只能与周围部分物质产生万有引力，而不能和所有的物质产生万有引力。同样地，从周围飞进的粒子数又可能要大于飞出的粒子数。它们如何平衡？

如果引力子是没有质量的话，这种交换就更加令人不可捉摸了。因为力是物体动量的变化率，而动量是质量与速度的积，没有质量的引力子的交换为什么会产生含有质量因数的力（F=ma）？

这种交换是极为复杂的。例如地球上的每一粒沙子，除了要和地球上相当于一粒沙子的质量交换引力子外，还要和太阳系、银河系……所有的星体上相当于一粒沙子的质量交换引力子。实际上这种交换是不可能的。

2．如果两物体的相对位置在不断地变化，用于交换的粒子还必须有一套复杂的“制导”系统。不然的话，由于物体的位置发生了变化，这些粒子怎么可能准确地到达预定要去的位置呢？因此，这些“粒子”就成了一颗颗名副其实的“粒子导弹”。

3．物体里还必须有一个指挥机构，以便把不断飞来的粒子按一定的顺序安排在适当的位置，并命令另外一些粒子按一定的顺序飞向指定的物体去完成“交换”的使命。

4．这些粒子还必须具有相应的动力和制动设备，以便粒子能起飞和降落。

5．粒子交换的实质是什么，究竟交换了什么东西？ 这些粒子的运动速度是多少，能运行多长时间，有不有寿命，任何恶劣的环境都畅通无阻？

6．粒子的交换为什么有时是产生吸引力而有时又是产生斥力？

7．交换过程如何体现力的方向、大小和作用点？

所有这些问题都无法解释。这样一幅极端复杂而有序的交换过程，只有上帝才能完成。

然而，用“力是物体间的相互碰撞。物体受力方向是它被碰方向，力的作用点是碰撞作用点，力的大小是碰撞剧烈程度的大小。”这一精确定义来解释以上问题则简单得多。

1．碰撞能产生碰撞力是客观事实。力的碰撞机制是实实在在的。

2．碰撞随机自发无序地进行，是自然而然发生的事，碰到了就有力, 碰不到就没有力，不须要任何制导系统和指挥机构。也不须要动力和制动设备。它根本不需要上帝的存在。

3．物体某一部位受到碰撞，可以通过物体内部分子之间一连串的碰撞传到物体内部任何位置。因此，碰撞总是发生在物体的某一部位，不需要物体内部任一部分都受到碰撞。

4．直接碰撞产生一对斥力，复杂碰撞可产生引力。

5．碰撞过程具有力的一切特征，其碰撞方向、碰撞剧烈程度的大小与碰撞作用点恰好和力的方向、力的大小与力的作用点一一对应。

6. 碰撞过程既可以产生斥力也可以产生引力。两个物体直接碰可产生一对斥力，复杂的碰撞的总效果可以产生引力。例如把两个马德堡半球合起来抽去当中的空气，因两边空气分子频繁对半球的碰撞使得两半球紧紧地吸引在一起，几匹马都拉不开。

7. 碰撞过程正好是一个相互交换动量过程。

由动量守恒定律可知，碰撞前的总动量和碰撞后的总动量是保持守恒的。在只有两个物体发生碰撞的情况下，其中一方增加的动量恰好为另一方减少的动量。只有这样，碰撞前后的动量才能保持守恒。因此碰撞过程的实质是碰撞双方自动地交换了动量。

再考虑到碰撞双方交换动量的时间也必然是一样的，碰撞双方的动量交换率当然是一样的了，动量交换率就是动量变化率，动量变化率又正好是力。因此双方相互交换动量过程就使得双方自然而然地产生了大小相等，方向相反的在一条直线上的作用力和反作用力，也就是说，碰撞过程不需要交换粒子而自动地有交换力。

   因此，力的碰撞机制比力的交换粒子的机制要简单得多合理得多，理所当然地成为我们统一各种力的内在根椐。

必需强调指出：根据力的精确定义，力仍然是物体间的相互作用。但这种作用不是别的什么，而是碰撞。因此，力是物体运动状态改变的原因，就等效于碰撞是物体运动状态改变的真正原因。实际上，力不过是碰撞的代名词而已。

脱离具体的碰撞过程，把力抽象地定义为物体间的相互作用，只能使我们对力感到难以捉摸。同时，这一定义转移了人们的视线。使人们忽略了对具体碰撞过程的深入研究，导致力的起源问题被长期搁置起来。