How big is 弱力作用范围?

弱力是自然界四种基本力之一，它只能在极短的距离内起作用。弱力的作用范围，也就是它所能达到的距离，约为 10⁻¹⁸ 米，即 1 阿米，不到质子直径的千分之一。

距离

1 阿米等于 10⁻¹⁸ 米，也就是一米的十亿分之一的十亿分之一。10⁻¹⁸ 这种写法表示 1 除以一个 1 后面跟着 18 个零的数。这个作用范围并不是有人用仪器实际测出的边界，而是根据传递弱力的粒子的质量推算出的估计值。

弱力由被称为 W 玻色子和 Z 玻色子的粒子传递。这两种粒子都很重：W 玻色子的质量约为质子的 86 倍，Z 玻色子约为 97 倍。根据量子物理学，传递力的粒子只能短暂存在，而粒子越重，存在的时间就越短。

即便以接近光速运动，W 玻色子在这段极短的时间里也只能传播约 2 × 10⁻¹⁸ 米，这是教材《大学物理》第三卷（University Physics Volume 3）中的说法。欧洲核子研究中心（CERN）将这一作用范围取整为约 10⁻¹⁸ 米，并指出弱力在超出单个质子半径的距离上会完全消失。

大小比较

一个质子直径约为 1.7 飞米（1.7 × 10⁻¹⁵ 米），宽度是弱力作用范围的约 1700 倍。
把夸克束缚在质子和中子内部的强力，作用范围约为 10⁻¹⁵ 米，约是弱力作用范围的 1000 倍。
实验发现，如果夸克确实有大小，其直径也不会超过约 8.6 × 10⁻¹⁹ 米，比弱力的作用范围略小一些。
如果把弱力的作用范围放大到一根头发丝的宽度，也就是约 0.1 毫米，质子的直径就会达到约 17 厘米，氢原子的直径则约为 11 千米。

弱力的作用

弱力能够把一种夸克转变成另一种夸克。中子正是通过这种方式，在一种叫做 β 衰变的放射性衰变过程中转变为质子：中子释放出一个 W 玻色子后变为质子，随后这个 W 玻色子又转变为电子和反中微子。

弱力也能把质子转变为中子，这正是为太阳提供能量的核聚变反应第一步中发生的过程：两个质子结合，其中一个转变为中子，生成氘——一种较重的氢的形式。中微子只感受弱力和引力，因此大多数中微子能穿过整颗行星而不被拦下。

虽然名为“弱力”，这种力其实比引力强得多。CERN 解释说，弱力本质上与电磁力一样强，只是因为 W 玻色子和 Z 玻色子质量很大、限制了它的作用范围，才显得“弱”。

W 玻色子和 Z 玻色子的发现

1933 年，恩里科·费米（Enrico Fermi）提出了关于弱力的第一个理论。20 世纪 60 年代，谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）、阿卜杜斯·萨拉姆（Abdus Salam）和史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）提出，弱力和电磁力其实是同一种电弱力的两种表现形式。他们的理论预言了 W 玻色子和 Z 玻色子的存在，并结合此前的实验数据，预测出了它们的质量。

为了制造出这两种玻色子，CERN 的物理学家把实验室最大的加速器改造成了一台能让质子与反质子对撞的设备。1983 年，UA1 和 UA2 两项实验首次在其中观测到了这两种粒子，测得的质量与理论预言相符。卡洛·鲁比亚（Carlo Rubbia）和西蒙·范德梅尔（Simon van der Meer）因这一发现共同获得了 1984 年诺贝尔物理学奖。