【物理原理】力——自然界的四種基本相互作用

原標題：【物理原理】力——自然界的四種基本相互作用

來自大名鼎鼎的村山齊的《自然界的四種基本相互作用力》

卷首語：力——自然界的四種基本相互作用

為什麼月亮得以圍繞地球作周期性的運動？為什麼攜帶相反電荷的物體彼此吸引？為什麼太陽會發光發熱？為什麼不帶電的中子與帶正電荷的質子可以結合在一起形成穩定的原子核？科學家發現，諸如此類的自然現象之所以發生，原因在於其背後隱藏著四種基本的相互作用，它們分別是引力、電磁力、弱核力和強核力。本期推出了主打文章「村山齊博士闡述四種基本力」，旨在探討支配宇宙萬物如何運作的這四種力的典型特性及其相關的未解之謎。

在物理學的早期發展過程中，人們曾以為物質之間的相互作用是直接和瞬時的，即力的傳遞不需要任何媒介，也不需要任何時間。這種「超距」作用的觀點隨著狹義相對論的提出而遭到越來越多的質疑。1905年，愛因斯坦建立了超越牛頓力學體系的嶄新時空觀，他明確指出真空中的光速是一切相互作用（包含能量或信息的傳遞）傳播速度的極限，因此排除了所有物理過程中瞬時超距作用的可能性。1935年，28歲的日本物理學家湯川秀樹（Hideki Yukawa）估算出力的傳播子質量M與力的有效作用距離R之間存在一個簡單的反比關係：

其中MeV代表兆電子伏，是能量或質量的單位，而m代表米，是距離的單位，並由此預言了在原子核之間傳遞強核力的pion介子的質量應該大致在100MeV的量級，後者果然在1947年的宇宙線實驗中被發現。這是湯川教授發表的第一篇學術論文，但卻使他一炮而紅，榮獲了1949年的諾貝爾物理學獎。

迄今為止，物理學家發現自然界至少存在四種基本相互作用，它們的強度可以用無量綱的數字近似地表徵。

強核力

強核力它是短程力，只在原子核的尺寸範圍內起作用。強相互作用既可以把夸克結合在一起形成質子或中子，也可以將質子和中子結合起來形成原子核。在夸克層面，傳遞強相互作用的基本粒子是膠子；但在核子層面，強核力的有效傳播者就是湯川教授所預言的pion介子。

弱核力

弱核力是導致某些原子核發生衰變的超短程力，它的作用距離比強核力小近千倍，而它的強度更是遠遠小於電磁力的強度。但自然界中強度最弱的其實是引力，儘管它的有效作用距離可以無窮大，但它在原子或原子核的相互作用過程中弱到完全可以忽略不計的程度。給定各種力所起作用的範圍，湯川的近似公式可以被用來估算它們的傳播子的質量，並由此得出光子和引力子沒有質量，只能以光速傳播的有趣結論。不僅如此，傳遞弱核力的三類玻色子的質量大致相近，都在100GeV附近，也符合實驗觀測。

值得一提的是，有人認為「上帝粒子」希格斯玻色子H所傳遞的「湯川力」既然可以賦予若干基本粒子以質量，因此它或許可以被當作「第五種力」來看待。但上述基於湯川近似公式所做的估算表明，出現在電弱統一理論中的希格斯粒子確實具有和W或Z玻色子差不多的質量，屬於弱核力的範疇。另一方面，在夸克層面上傳遞強相互作用的膠子沒有靜止質量，這似乎與湯川的近似公式相矛盾。村山齊博士告訴我們，這是由於強核力具有一種被稱作「漸近自由」 （asymptotic freedom）的奇特性質，類似於橡皮筋或彈簧：夸克之間的距離越大，彼此的吸引力就越強，強到科學家永遠無法分離出單個夸克的程度；而一旦夸克之間的距離趨近於零時，它們就如同自由粒子一樣，相互作用變得微乎其微。

同樣激動人心的是發生在太陽中心的核聚變過程，後者產生了大量能量，其中一小部分到達太陽表面後，再傳遞到地球，使得一切生命都沐浴在光和熱之中。但若要相信人類無法企及的太陽內部真的發生了諸如此類的奇妙反應，你必須想辦法證明核聚變的另一產物——與弱核力相伴而生的中微子——也到達了地球。這正是美國科學家雷蒙德·戴維斯（Raymond Davis）在1968年所做的事情：他發現了來自太陽中心核聚變所產生的中微子，由此揭開了中微子天文學的序幕。

電磁力

第二類相互作用是人類最熟悉的電磁力，它是長程力，它的有效作用距離（力程）可以被看作是無窮大，但它的強度要比強核力小上百倍。電磁力的傳播子是人們在日常生活中唯一能夠切身感受到其存在的基本粒子——光子。電磁力也遵守平方反比律，而且原則上作用程也很長，但每個原子的淨電荷卻等於零，因為電子云的負電荷正好與核的正電荷相互抵消（電子因量子效應而不會落到核中，見量子理論）。所以，即使你把大量原子放到一起，總電荷仍為零，而引力則因原子數量的增多而變大。

萬有引力

任意兩個有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的本質或狀態以及中介物質無關。

F = G m 1 m 2 r 2 {\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}

來源：

邢志忠科學網博客

連結地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-3779-987034.html

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