物理學(xué)家將物體之間的相互作用稱之為"力"。20世紀(jì)以來，人們從最初認(rèn)識到的兩種力，萬有引力和電磁力，逐步擴展到了四種：萬有引力、電磁力、弱相互作用力、強相互作用力。

　　要談到這四種力的產(chǎn)生和特點，就不能不談到從愛因斯坦開始的一個夢想：將宇宙中所有的力用一個簡潔的公式統(tǒng)一起來。

　　1955年4月17日是星期日，愛因斯坦從普林斯頓醫(yī)院的病榻上坐起來，開始了他一生的最后一次計算。他以自己特有的干凈利落的筆記，寫下了一行又一行的符號。他整理了一些數(shù)字，然后把工作放在一邊休息了。幾個小時以后，20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家去世了。他的床邊放著他最后的，也是失敗的一項努力，即創(chuàng)造自己的"統(tǒng)一場理論"——對于宇宙中所有已知力量的一項單一的、條理清晰的解釋。

　　必須強調(diào)，將力劃分成四種是種人為的方法；它僅僅是為了便于建立部分理論，而并不別具深意。

　　第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一粒子都因它的質(zhì)量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有兩個特別的性質(zhì)，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會作用到非常大的距離去，并且總是吸引的。這表明，在像地球和太陽這樣兩個巨大的物體中，所有的粒子之間的非常弱的引力能迭加起來而產(chǎn)生相當(dāng)大的力量。

　　另一種力是電磁力。它作用于帶電荷的粒子（例如電子和夸克）之間，但不和不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力強得多：兩個電子之間的電磁力比引力大約大100億億億億億（在1后面有42個0）倍。然而，共有兩種電荷--正電荷和負(fù)電荷。同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸引。一個大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負(fù)電荷。由于單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個物體之間純粹的電磁力非常小。然而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負(fù)電的電子和帶正電的核中的質(zhì)子之間的電磁力使得電子繞著原子的核作公轉(zhuǎn)，正如同引力使得地球繞著太陽旋轉(zhuǎn)一樣。

　　第三種力稱為弱核力，主要表現(xiàn)在粒子的衰變過程。它制約著放射性現(xiàn)象，并只作用于自旋為1/2的物質(zhì)粒子，而對諸如光子、引力子等粒子不起作用。直到1967年倫敦帝國學(xué)院的阿伯達斯?薩拉姆和哈佛的史蒂芬?溫伯格提出了弱作用和電磁作用的統(tǒng)一理論后，弱作用才被很好地理解。此舉在物理學(xué)界所引起的震動，可與100年前馬克斯韋統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)并駕齊驅(qū)。

　　第四種力是強作用力（或強核力）。它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子中的質(zhì)子和中子束縛在一起，它只能與自身以及與夸克相互作用，人們認(rèn)為其作用機制乃是核子間相互交換介子而產(chǎn)生的。

　　最早被人們認(rèn)識的相互作用是電磁相互作用。公元前6世紀(jì)古希臘的泰勒斯用琥珀和毛皮摩擦，開始認(rèn)識摩擦生電現(xiàn)象。麥克斯韋總結(jié)了前人一系列發(fā)現(xiàn)和實驗成果，于1875年提出了描寫電磁作用的基本運動方程式，后來稱為麥克斯韋方程。這是第一個完整的電磁理論體系，它把兩類作用--電與磁--統(tǒng)一起來了，定量地描述了它們之間的相互影響相互轉(zhuǎn)變的規(guī)律。麥克斯韋方程還揭示了光的電磁本質(zhì)：光本身是一種電磁波。

　　人類認(rèn)識的第二種相互作用是引力作用。在哥白尼(Coper-nicus)，開普勒(Kepler)，伽利略(Galileo)等科學(xué)家對天體運行的大量觀測和歸納基礎(chǔ)上，牛頓(Newton)提出了萬有引力定律，它很好地解釋了與引力有關(guān)的大量實驗。物體間的引力作用是很弱的，只有涉及星體這樣的龐然大物，實驗上才能感受到引力作用；引力作用又與電磁作用不同，任何物質(zhì)間都存在引力。因此，在許多電中性物體的運動中，例如宇宙中星體運行、地球表面物體的運動等現(xiàn)象中引力會占有優(yōu)勢。

　　另外兩類相互作用都是短程作用，只在微觀現(xiàn)象中才顯示出來，因此人類認(rèn)識它們的時間不長，認(rèn)識的深度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及前兩種作用。從放射性原子核的β衰變中人類開始接觸到弱相互作用，以后在觀測微觀粒子衰變現(xiàn)象中豐富了關(guān)于弱相互作用的實驗積累。

　　人類對強相互作用的認(rèn)識也是從核力作用開始的。原子核由質(zhì)子和中子組成，原子核大小在十萬億分之一厘米的數(shù)量級，每個核子的平均結(jié)合能為800萬電子伏特。原子核在裂變和聚變反應(yīng)中，可以釋放大量能量。質(zhì)子和中子能以如此大的結(jié)合能來束縛在如此小的范圍內(nèi)，它們之間必須有很強的相互作用。這種作用開始稱為核力，后來發(fā)現(xiàn)它不僅存在于核子之間，也存在于其他一些微觀粒子之間，故統(tǒng)稱為強相互作用。存在強相互作用的粒子稱為強子。強相互作用比電磁相互作用又強了許多倍，但人類對強相互作用的理解還是極其初步的。

　　長期以來，人們有一種樸素的愿望，世界是統(tǒng)一的，各種基本相互作用應(yīng)該有統(tǒng)一的起源。許多著名物理學(xué)家，例如愛因斯坦、海森堡、泡里（Pauli）等，在晚年致力于統(tǒng)一理論的研究，但是沒有取得成功。

　　麥克斯韋方程統(tǒng)一了電和磁兩種相互作用, 溫伯格（1967年）和薩拉姆（1968年）在格拉肖早期工作的基礎(chǔ)上，成功地建立了一個優(yōu)美的理論，把電磁力和弱相互作用力看做是一個單一的力--電弱力--的不同表現(xiàn)形式，從而把它們統(tǒng)一起來。這模型的成功加深了人類對弱作用和電磁作用本質(zhì)的認(rèn)識，也推動人們在規(guī)范理論基礎(chǔ)上把各種相互作用統(tǒng)一起來的努力。 20世紀(jì)的物理學(xué)有兩次大的革命：一次是狹義相對論和廣義相對論，它幾乎是愛因斯坦一人完成的；另一次是量子理論的建立。經(jīng)過人們的努力，量子理論與狹義相對論成功地結(jié)合成量子場論，這是迄今為止最為成功的理論。

　　廣義相對論也有長足的發(fā)展，在小至太陽系，大至整個宇宙范圍里，實驗觀測與理論很好地符合。但在極端條件下，引出了時空奇異，顯示了理論自身的不完善。就我們現(xiàn)在的認(rèn)識水平，量子場論和廣義相對論是相互不自洽的，因此量子場論和廣義相對論應(yīng)該在一個更大的理論框架里統(tǒng)一起來。

　　愛因斯坦建立相對論之后自然地想到要統(tǒng)一當(dāng)時公知的兩種相互作用??萬有引力和電磁力。他花費了后半生近40年的主要精力去尋求和建立一個統(tǒng)一理論，但沒有成功。現(xiàn)在回過頭來看歷史，愛因斯坦的失敗并不奇怪。實際上自然界還存在另外兩種相互作用力??弱力和強力�，F(xiàn)在已經(jīng)知道，自然界中總共4種相互作用力除有引力之外的3種都可有量子理論來描述，電磁、弱和強相互作用力的形成是用假設(shè)相互交換"量子"來解釋的。但是，引力的形成完全是另一回事，愛因斯坦的廣義相對論是用物質(zhì)影響空間的幾何性質(zhì)來解釋引力的。在這一圖像中，彌漫在空間中的物質(zhì)使空間彎曲了，而彎曲的空間決定粒子的運動。人們也可以模仿解釋電磁力的方法來解釋引力，這時物質(zhì)交換的"量子"稱為引力子，但這一嘗試卻遇到了理論上的很多困難。

　　近年來，一種新的統(tǒng)一理論正在興起，稱為超弦（super-string）理論。這理論認(rèn)為微觀粒子不是一個點，而是一條一維弦，自然界中的各種不同粒子都是一維弦的不同振動模式，并在弦的基礎(chǔ)上形成一套量子化方法。這理論宣稱這是第一次得到的可重整化引力理論，這理論只有幾個基本參數(shù)，其他參數(shù)原則上都可以在理論中計算得到，只是由于數(shù)學(xué)上的困難，暫時還算不出來。人們期望這一理論可以統(tǒng)一四種基本相互作用，當(dāng)然，目前困難還很大，對這理論持批評意見的人也很多。

　　上個世紀(jì)后半葉以來，不少科學(xué)家提出了各種大統(tǒng)一理論，希望將四種力用一種理論統(tǒng)一起來，但都遇到這樣那樣的困難，其中只有弱力和電磁力的統(tǒng)一（稱之為電弱力）較為滿意。用規(guī)范理論統(tǒng)一四種基本相互作用是一種誘人的因素，但是在前進道路上也有可能會遭到失敗。也許人們還會尋找新的途徑去統(tǒng)一各種基本的相互作用。通過一系列探索、失敗、成功，再失敗，再成功，不斷發(fā)現(xiàn)矛盾，解決矛盾，每一次循環(huán)都在加深著人類對自然界的認(rèn)識。

　　四種力的比較

　　來源：江西教師網(wǎng)

本文來自：逍遙右腦記憶 http://yy-art.cn/gaozhong/377804.html

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