四种基本相互作用力

金仲辉

读者刘丹丹问：“摩擦力实质上是电磁力，说明电磁力是一种基本相互作用力.那么，自然界究竟有几种基本相互作用力呢？”这位同学说得很对，宏观物体之间的摩擦力本质上确实是电磁力.还有我们日常生活中遇到的绳索中的张力、弹力，地面的支撑力，空气阻力，以及各种化学作用力，实质上都是电磁作用力的表现.如果不存在电磁相互作用力，原子、分子、凝聚体（固体和液体）都不复存在，以化学作用为基础的生命也不复存在.电磁相互作用力是一种长程力，即两带电体相距很远，它们依然存在着相互作用力，

除了电磁相互作用力外，自然界还存在另三种基本相互作用力，即万有引力作用力、强相互作用力和弱相互作用力，我们知道，一切具有质量的物体都具有相互吸引的作用，这就是万有引力作用力.在经典物理学中，它的规律就是牛顿发现的万有引力定律.在四种基本相互作用中，万有引力作用力最弱.这是显然的，否则站在地面上两个人都会有相互吸引的感觉，但是万有引力作用力在天体物理研究中起着决定作用，地球和其他行星之所以绕着太阳运动.就是太阳对它们有引力作用的缘故，由此也可看出万有引力是一种长程力.

原子核由核子（质子和中子，九年级将学到）组成.例如，氧原子核由16个核子（8个质子和8个中子）组成.我们知道质子是带正电荷的，它们之间有着库仑斥力的作用.那么这些核子之所以能结合在一起形成原子核，是否是由于这些核子间的万有引力大于库仑斥力呢？利用万有引力定律和库仑定律），可以计算出两个力之比.

将万有引力常数G=6.67×10-11N·m2/kg2，真空电容率ε0=8.85×10-l2F/m，质子电量ql=q2=1.60×10-l9C.质子（或中子）质量m1=m2=1.67×10-27kg，代人上式，得f电≈1.3×1036.f引

上述结果表明，原子核内质子间的库仑斥力远大于核子间的万有引力，这说明要使质子和中子结合成原子核一定存在着另一种更强的吸引作用力.这就是强相互作用力.在四种基本相互作用力中，强相互作用力最强，它是一种仅在微观尺度上起作用的短程力.

第四种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电子的现象和涉及中微子（质量很小、不带电、穿透力很强的粒子）的反应中表现出来，弱相互作用力也仅在微观尺度上起作用，它的力程最短，作用强度在四种基本相互作用力中排第三.美籍华人学者李政道、杨振宁在1956年发现了弱相互作用力中宇称（空间对称性）不守恒的现象而获1957年度的诺贝尔物理学奖.

在物理学发展过程中，物理学家们不断追求将不同的理论统一起来.例如，牛顿三定律和万有引力定律将地面上物体的运动和天体的运动统一起来：奥斯特的电流磁效应实验将电学和磁学统一起来：麦克斯韦的电磁场理论将电、磁、电磁学和光学统一起来：爱因斯坦用相对论将电磁学和力学统一起来.近代物理学认为四种基本相互作用力是统一的，已经建立起比较完善的是电、弱统一理论，目前正在向建立电、弱、强三者的大统一理论和包括万有引力的超统一理论而努力。endprint