四種基本相互作用力

金仲輝

讀者劉丹丹問：“摩擦力實質(zhì)上是電磁力，說明電磁力是一種基本相互作用力.那么，自然界究竟有幾種基本相互作用力呢？”這位同學說得很對，宏觀物體之間的摩擦力本質(zhì)上確實是電磁力.還有我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降睦K索中的張力、彈力，地面的支撐力，空氣阻力，以及各種化學作用力，實質(zhì)上都是電磁作用力的表現(xiàn).如果不存在電磁相互作用力，原子、分子、凝聚體（固體和液體）都不復存在，以化學作用為基礎的生命也不復存在.電磁相互作用力是一種長程力，即兩帶電體相距很遠，它們依然存在著相互作用力，

除了電磁相互作用力外，自然界還存在另三種基本相互作用力，即萬有引力作用力、強相互作用力和弱相互作用力，我們知道，一切具有質(zhì)量的物體都具有相互吸引的作用，這就是萬有引力作用力.在經(jīng)典物理學中，它的規(guī)律就是牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律.在四種基本相互作用中，萬有引力作用力最弱.這是顯然的，否則站在地面上兩個人都會有相互吸引的感覺，但是萬有引力作用力在天體物理研究中起著決定作用，地球和其他行星之所以繞著太陽運動.就是太陽對它們有引力作用的緣故，由此也可看出萬有引力是一種長程力.

原子核由核子（質(zhì)子和中子，九年級將學到）組成.例如，氧原子核由16個核子（8個質(zhì)子和8個中子）組成.我們知道質(zhì)子是帶正電荷的，它們之間有著庫侖斥力的作用.那么這些核子之所以能結合在一起形成原子核，是否是由于這些核子間的萬有引力大于庫侖斥力呢？利用萬有引力定律和庫侖定律），可以計算出兩個力之比.

將萬有引力常數(shù)G=6.67×10-11N·m2/kg2，真空電容率ε0=8.85×10-l2F/m，質(zhì)子電量ql=q2=1.60×10-l9C.質(zhì)子（或中子）質(zhì)量m1=m2=1.67×10-27kg，代人上式，得f電≈1.3×1036.f引

上述結果表明，原子核內(nèi)質(zhì)子間的庫侖斥力遠大于核子間的萬有引力，這說明要使質(zhì)子和中子結合成原子核一定存在著另一種更強的吸引作用力.這就是強相互作用力.在四種基本相互作用力中，強相互作用力最強，它是一種僅在微觀尺度上起作用的短程力.

第四種基本相互作用力是弱相互作用力.它可以在一些放射性元素放射出電子的現(xiàn)象和涉及中微子（質(zhì)量很小、不帶電、穿透力很強的粒子）的反應中表現(xiàn)出來，弱相互作用力也僅在微觀尺度上起作用，它的力程最短，作用強度在四種基本相互作用力中排第三.美籍華人學者李政道、楊振寧在1956年發(fā)現(xiàn)了弱相互作用力中宇稱（空間對稱性）不守恒的現(xiàn)象而獲1957年度的諾貝爾物理學獎.

在物理學發(fā)展過程中，物理學家們不斷追求將不同的理論統(tǒng)一起來.例如，牛頓三定律和萬有引力定律將地面上物體的運動和天體的運動統(tǒng)一起來：奧斯特的電流磁效應實驗將電學和磁學統(tǒng)一起來：麥克斯韋的電磁場理論將電、磁、電磁學和光學統(tǒng)一起來：愛因斯坦用相對論將電磁學和力學統(tǒng)一起來.近代物理學認為四種基本相互作用力是統(tǒng)一的，已經(jīng)建立起比較完善的是電、弱統(tǒng)一理論，目前正在向建立電、弱、強三者的大統(tǒng)一理論和包括萬有引力的超統(tǒng)一理論而努力。endprint