How big is 弱力作用範圍?
1 attometer!
弱力是自然界四種基本力之一，只能在極短的距離內發揮作用。它的作用範圍，也就是它能觸及的距離，大約是10−18公尺，也就是1阿米，不到質子寬度的千分之一。
距離
1阿米等於10−18公尺，也就是十億分之一乘以十億分之一公尺。10−18表示1除以1後面接18個零的數。這個作用範圍並不是有人用儀器實際測量出來的邊界，而是根據傳遞這個力的粒子質量所推算出的估計值。
弱力是由稱為W玻色子和Z玻色子的粒子所傳遞的，這兩種粒子都很重：W玻色子的質量大約是質子的86倍，Z玻色子則大約是97倍。量子物理讓傳遞力的粒子只能存在極短暫的一瞬間，粒子越重，這段時間就越短。
即使以接近光速移動，W玻色子在這段時間內也只能移動大約2 × 10−18公尺，這是教科書《University Physics Volume 3》給出的數據。歐洲粒子物理實驗室CERN則將這個作用範圍四捨五入為大約10−18公尺，並指出這個力在超出單一質子半徑之後就會完全消失。
大小比較
- 質子的寬度大約是1.7飛米（1.7 × 10−15公尺），大約是弱力作用範圍的1700倍。
- 強力能讓夸克在質子和中子內部結合在一起，它的作用範圍大約是10−15公尺，大約是弱力作用範圍的1000倍。
- 實驗發現，如果夸克真的有大小，也不會超過大約8.6 × 10−19公尺，比弱力的作用範圍略小一些。
- 如果把弱力的作用範圍放大到一根人類頭髮的寬度，也就是大約0.1公釐，質子的寬度就會變成大約17公分，氫原子的寬度則會變成大約11公里。
弱力的作用
弱力可以把一種夸克轉變成另一種夸克。中子就是透過這種方式，在一種稱為貝他衰變的放射性衰變中變成質子：中子放出一個W玻色子並轉變成質子，接著W玻色子再轉變成電子和反微中子。
弱力也能把質子轉變成中子。這正是為太陽提供能量的核融合反應第一步所發生的過程：兩個質子結合，其中一個轉變成中子，形成氘——一種較重的氫。微中子只會感受到弱力和重力，因此大多數微中子能穿越整顆行星而不被阻擋。
雖然名為「弱力」，但這個力其實遠比重力強大。CERN指出，弱力的強度基本上和電磁力相當，只是因為W玻色子和Z玻色子太重，限制了它的作用距離，才顯得微弱。
發現W玻色子和Z玻色子
恩里科·費米在1933年提出了第一個弱力理論。1960年代，謝爾登·格拉肖、阿卜杜勒·薩拉姆和史蒂文·溫伯格提出，弱力和電磁力其實是同一種「電弱力」的兩種表現形式。他們的理論預測了W玻色子和Z玻色子的存在，並結合先前的實驗數據，推算出這兩種粒子的質量。
為了製造出這兩種玻色子，CERN的物理學家把實驗室裡最大的加速器，改造成能讓質子和反質子對撞的裝置。1983年，UA1和UA2兩項實驗首次在那裡觀測到這兩種粒子，其質量也與理論預測相符。卡洛·魯比亞和西蒙·范德梅爾因這項發現獲得1984年諾貝爾物理學獎。
參考資料
- The Z boson. CERN.
- The Standard Model. CERN.
- The Standard Model. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- Introduction to Particle Physics. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- The Four Basic Forces. In College Physics, 2nd edition. OpenStax, 2022.
- Mass, Energy, and the Theory of Relativity. In Astronomy, 2nd edition. OpenStax, 2022.
- Summary Tables: Gauge and Higgs Bosons. Particle Data Group, 2025.
- Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering at HERA. H. Abramowicz et al. (ZEUS Collaboration), Physics Letters B, 2016.
- SI prefixes. International Bureau of Weights and Measures.
- Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
- Proton mass energy equivalent in MeV. NIST CODATA, 2022.
- Bohr radius. NIST CODATA, 2022.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.