小物和小理的物理對話錄(81)
———對4種基本相互作用的認識

◇ 北京 潘瑩瑩 孟衛東(特級教師)

前言:小物和小理是2名普通的高中生,他們酷愛物理,在學習物理的過程中,小物經常向小理提出許多刁鉆而有趣的物理問題,了解他們的故事也能讓你的物理達到新的高度.

1 對話錄

小物:最近我在很認真地思考一個問題,咱們在初中時只是簡單學習了“力是一個物體對另一個物體的作用,力的作用是相互的”.除此之外,我對相互作用就幾乎一無所知了,你還有其他了解嗎?

小理:可以啊,這么有上進心!

小物:那是,我現在學習物理的熱情高漲,你快給我講講你對相互作用的認識.

小理:其實咱們高中物理教材對相互作用也有簡單介紹,我只是在此基礎上了解得多一些而已.那我就給你系統地講講相互作用.

小物:好嘞,洗耳恭聽!

2 小理的解釋

2.1 力是物體間的相互作用

自然界中的物體并不是孤立存在的,它們之間具有多種多樣的相互作用.正是由于這些相互作用,物體在形狀、運動狀態以及其他許多肉眼不能察覺的方面發生著變化.物理學中,物體間的這些相互作用抽象為一個概念——力.

2.2 4種基本相互作用

目前,物理學界公認自然界存在4種基本相互作用:引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用.

1)引力相互作用

從17世紀下半葉起,人們發現,相互作用存在于一切物體之間,直到宇宙的深處,只是相互作用的強度隨著距離的增大而減弱,在物理學中,我們將其稱為萬有引力.

引力是自然界中的一種基本相互作用,地表物體所受的重力只是引力在地球附近的一種表現.4種基本相互作用中,人們對引力相互作用的研究歷史最久,所有具有質量的物體之間的相互作用,均表現為引力,它是一種長程力,力程為無窮大.其遵循的規律是萬有引力定律,更為精確的理論是廣義相對論.

由于萬有引力常量G很小,因此對于普通大小的物體來說,它們之間的引力非常微弱,可忽略不計.但是對于具有極大質量的天體來說,引力就成為決定它們之間以及它們與物體之間相互作用的主要因素.例如,地球對于其表面上的一般物體的引力,決定了物體的自由下落和拋體運動的規律.引力還可以解釋一些大范圍的天文現象,例如銀河系、黑洞和宇宙膨脹以及行星的公轉等.

2)電磁相互作用

電荷之間同樣存在著相互作用:同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引.類似地,兩個磁體之間也存在相互作用:同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引.電磁相互作用包括靜止電荷之間以及運動電荷之間的相互作用.兩個靜止點電荷之間的相互作用規律是19世紀法國物理學家庫侖發現的.運動著的帶電粒子之間除了存在庫侖靜電力的作用外,還存在磁力(洛倫茲力)的相互作用.

根據麥克斯韋電磁理論和愛因斯坦狹義相對論可知,電和磁是密切相關的,是統一的.在一個參考系中觀察到的磁力可以和另一個參考系中觀察到的庫侖力聯系起來,因此電力、磁力統稱為電磁相互作用.

3)強相互作用

20世紀,物理學家發現原子核是由若干帶正電的質子和不帶電的中子組成的,而帶正電的質子之間存在斥力,這種斥力比它們之間的萬有引力大得多,似乎質子與質子團聚在一起是不可能的.于是他們認識到,一定有一種未知的強大的相互作用存在,使得原子核緊密地結合在一起,這種作用稱為強相互作用.與萬有引力和磁力不同,距離增大時,強相互作用急劇減小,它的作用范圍只有約10－15m,即原子核的大小,超過這個界限,這種相互作用基本上已經不存在了.

強相互作用是自然界4種基本相互作用中最強的一種.自1947年發現與核子作用的π介子以后,實驗中陸續發現了幾百種有強相互作用的粒子,這些粒子統稱為強子.

強相互作用比其他3種基本作用有更大的對稱性.人們用強子的夸克模型和規范場的概念提出量子色動力學,在該理論中,強相互作用是由組成強子的夸克之間通過一些被稱為膠子的規范粒子場傳遞的,它被認為是最有希望的強相互作用力基本理論之一.

4)弱相互作用

弱相互作用的發現始于1898年法國物理學家貝克勒爾·居里夫婦發現的β衰變,顧名思義,弱相互作用十分微弱,通過這種作用衰變的過程壽命大致在億分之一秒的數量級,相比典型的通過電磁作用衰變的過程要慢七八個量級,所以這種作用才命名為弱相互作用.弱相互作用的作用范圍也很小,與強相互作用相同,但強度只有強相互作用的10－6.

3 4種基本作用的比較

引力、電磁力能在宏觀世界里顯示其作用,這兩種力是長程力,從理論上講,它們的作用范圍是無限的,其中電磁力與引力相比要強得多.除引力外,所有接觸力(彈力、摩擦力、表面張力、附著力等)都是大量原子、分子之間電磁相互作用的宏觀表現.

弱相互作用和強相互作用是短程力,短程力的相互作用范圍是原子核尺度,這兩種力只有在原子核內部和基本粒子的相互作用中才顯示出來,在宏觀世界里不能察覺它們的存在.

4種相互作用按照強度來排序是:強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用.一對質子在相距10－15m時,各種相互作用的強度為(假定此時強相互作用強度的數量級為1):

強相互作用 1

電磁相互作用 10－2

弱相互作用 10－14

引力相互作用 10－40

4種基本相互作用的特點已被大家所認識,其中引力和電磁作用最先被人們認識,并且研究得比較充分,而由近代物理揭示的弱相互作用和強相互作用的規律還有待進一步完善.當然,物理學界一直存在一個謎:沒有人確切知道為什么會是這樣的4種相互作用,許多物理學家認為它們可能是某種相互作用在不同條件下的不同表現,就像電和磁是電磁相互作用的不同形式一樣,為此人們做了很多的研究工作,但至今仍沒有公認的結論.

這正如牛頓所說:真理的大海依然在我們面前,但卻尚未發現.我們仍需繼續追求自然界相互作用統一的理想,并為此不斷努力,將物理學向前推進.