物质间的四种相互作用

物质间的四种相互作用

方正三中 郑晓东

　　牛顿在他的著作《自然哲学的数学原理》前言中写到：“我奉献这一作品，作为哲学的数学原理，因为哲学中的全部责任似乎在于——从运动的现象去研究自然界中的力，然后从这些力去说明其他现象。”牛顿本人正是实践这条思路的先驱，他在发表三大运动定律的同时，发表了万有引力定律。牛顿之后的三百多年来，物理学家们从各种自然现象中，寻找支配这些运动现象的力。目前，物理学界公认，自然界存在四种基本的相互作用：万有引力(简称引力)、电磁力、强相互作用和弱相互作用。

　　在宏观世界里，能显示其作用的只有两种：引力和电磁力。

　　引力是所有物体之间都存在的一种相互作用。由于引力常量G很小，因此对于通常大小的物体，它们之间的引力非常微弱，在一般的物体之间存在的万有引力常被忽略不计。但是，对于具有极大质量的天体，引力成为决定天体之间以及天体与物体之间的主要作用。例如，地球对于它表面上的一般物体的引力，决定了物体的自由下落和抛体运动的规律;引力对

　　于天体、人造地球卫星或关闭动力后的航天器的运动，起主宰作用。

　　电磁相互作用包括静止电荷之间以及运动电荷之间的相互作用。两个点电荷之间的相互作用。规律是19世纪法国物理学家库仑发现的。运动着的带电粒子之间，除存在库仑静电作用外，还存在磁力(洛伦兹力)的相互作用。根据麦克斯韦电磁理论和狭义相对论，电和磁是密切相关的，是统一的;在一个参考系中观察到的磁力可以和另一个参考系中观察到的库仑力联系起来，因此，电力、磁力统一为电磁相互作用。

　　引力、电磁力能在宏观世界里显示其作用。这两种力是长程力，从理论上说，它们的作用范围是无限的。但是，电磁力与引力相比，要强得多。宏观物体之间的相互作用，除引力外，所有接触力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现。弱相互作用和强相互作用是短程力。短程力的相互作用范围在原子核尺度内。强作用力只在10-15m范围内有显著作用，弱作用力的作用范围不超过10-16m。这两种力只有在原子核内部和基本粒子的相互作用中，才显示出来，在宏观世界里不能察觉它们的存在。弱相互作用是在原子核的β衰变中发现的，核子(质子、中子)、电子和中微子等参与弱相互作用。强相互作用是介子和重子(包括质子、中子)之间的相互作用，因为这种力把核子束缚在一起，核物理学家们把它称为核相互作用。

　　四种相互作用按强度来排列，顺序是：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。一对质子在相距10-15m时，各种相互作用的强度为(假定此时强相互作用强度的数量级为1)：

　　强相互作用　　　　　　　　　　　　　1

　　电磁相互作用　　　　　　　　　　　　10-2

　　弱相互作用　　　　　　　　　　　　　10-14

　　引力相互作用　　　　　　　　　　　　10-40

　　四种作用中，引力和电磁作用最先为人们所认识，并且得到比较充分的认识。由近代物理揭示的弱相互作用和强相互作用的规律，还有待于进一步完善。

　　尽管四种相互作用存在巨大的差别，物理学家们在努力寻求力的统一。近年来，在弱作用和电磁作用的统一方面，已经取得成功，实验已经证明，正如电和磁是电磁作用的两种不同表现一样，弱作用和电磁作用也只不过是统一的弱电相互作用的两种不同表现而已。弱电统一的成就促进了强、电、弱三种作用统一起来的大统一的研究。寻求大统一和超统一理论的研究，虽然尚未取得有实际意义的结果，但是人们追求自然界相互作用统一的理想和为此而做的努力将不断地把物理学向前推进。