力学中的概念问题——四种相互作用大小排列

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一、自然界中四周基本相互作用

各个层次的物质运动中，寻找支配这些运动现象的力.到今天为止，物理学界公认支配物质世界各种运动现象的力可归结为四种基本相互作用，这就是:引力相互作用,电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用，并且相信这四种基本相互作用最终将统一为一个普遍的结构，但任何人也不认为这个划时代的进展就在眼前。

四种基本相互作用

二、引力是人类最先认识的一种相互作用

牛顿在他的不朽著作《自然哲学的数学原理》前言中写道：“我奉献这一作品,作为哲学的数学原理,因为哲学的全部责任似乎在于一从运动的现象去研究自然界中的力，然后从这些去说明其他的现象。”牛顿本人正是实践这个责任的光辉典范，他在发表作为经典力学基础的三大定律的同时，发表了万有引力定律.引力成为人们最先认识的一种相互作用，牛顿以后的三百年来，一代又一代的物理学家们从自然界的各种现象，包括从宏观到微观。

《自然哲学的数学原理》

引力是所有物质客体之间都存在的一种相互作用，称之为万有引力，由于引力恒量G很小,因而对于通常大小的物体,它们之间的引力是非常弱的，例如： 测定引力常数G的卡文迪许实验装置中，中心相距5厘米的质量各为15克和1.5千克的两个铅球之间的引力仅约6x10-10牛顿、此力比人的一根头发的重量还小一万倍!所以在一般物体之间、原子及粒子间存在的万有引力常被忽略不计。但是当相互作用的一个物体具有天体的质量时，引力就成为决定天体之间以及天体与物体之间运动的主要作用，例如地球的质量为5.98x 10*24千克，它对地球表面(半径为Re =6370千米)上质量为1千克的物体的引力为9.8牛顿、这个力决定了物体的自由下落或抛体运动规律.对于天体、人造卫星或关闭动力后的宇宙飞船的运动，引力起着主宰作用、引力作用与距离的平方成反比，当距离增大时，引力减小不太快,在很远距离仍发生作用，所以引力属于长程力。

三、电磁相互作用

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，两个点电荷间的静电作用规律是19世纪法国物理学家库仑发现的，称为库仑相互作用、运动着的带电粒子之间除库仑静电作用外，还有称为磁力(洛仑兹力)的相互作用。它与带电粒子的运动速度有关，向与运动方向垂直.根据麦克斯韦电磁理论和狭义相对论,电和磁是密切联系的、是统一-的、在一个参照系中观察到的磁力可以同在另一个参照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.电磁相互作用也属于长程力,但与引力相比,它要强得多。

电磁相互作用

在前面提到过的卡文迪许实验装置中的铅球，如果铅球中的电子减1少式0(即10'8个电子中去掉一个),而使铅球带正电，那么两铅球之间的电力就可以同它们之间的引力相比了.如果把两铅球中每个原子中的核外电子全部剥掉，那么它们之间的静电斥力将约比引力大10*38倍,即约为10*28牛顿!比 一个具有地球那样大质量的，密度极高的物体在地面上受到的重力还要大。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、分子之间的电磁相互作用的宏观表现。

四、弱相互作用

弱相互作用和强相互作用是短程力，也就是说，这种力与距离的高次方成反比，当距离增大时，迅速减小这种相互作用的有效距离在10-15米以内、因此这两种相互作用只有在原子核尺度内,在核子和一些粒子的特定反应过程中才表明它们的存在，而在宏观物体之间不存在这两种相互作用、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。

五、强相互作用

强相互作用是介子和重子(包括质子、中子)之间的相互作用，因为这种作用把核子束缚在一起，核物理学家们把它称为核相互作用.

正电荷在10*-15尺度能不分裂，靠的就是强相互作用

近年来发展起来一种描述强相互作用的动力学理论，叫做量子色动力学,认为强子是由夸克(或称层子)和胶子组成.强子之间的强相互作用是通过交换胶子来实现的，这个理论虽有不少成就，但还不是成熟的理论,至今还未在实验上观察到自由的夸克和胶子。

六、四种相互作用的排列和统一进程

以上四种相互作用按强度排列的顺序是：强作用、电磁作用、弱作用和引力作用.考虑两个相距为10-15米的质子，它们之间四种相互作用都存在,按其大小比例约为：

强：电：弱：引力=1：3.5x 10*-2：2X 10*-6：3X 10-88.四种作用中,引力和电磁作用最先为人们所认识,并且比较充分。由近代物理揭示的弱作用和强作用规律，还有待于进一步完善。

相互作用强弱排列

同时，物理学家们努寻求力的统一，爱因斯坦的后半生就致于引力和电磁力的统一，但没有成功.六十年代美国物理学家格拉肖、温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆都致力于弱电统一研究工作，并取得了一定的成功，这个理论除可以解释已知的弱作用和电磁作用的基本规律外，预言当时未发现的-种中性流弱作用的存在，这个预言在1973年至1978年间为若干实验证实，特别是在1982年和1983年实验发现了传递弱作用的W粒子和z°粒子，这对进一步验证弱电统一 模型有重要意义。弱电统一的成就促进了将强、电、弱三种作用统-起来的大统一的研究，进而探索把四种相互作用都统一起来的超统一理论(或广义大统一、超对称大统一)。

大统一理论

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作出的努力将把物理学的前沿不断向前推进。