逍遥学能 2016-04-23 13:39
物理学家将物体之间的相互作用称之为"力"。20世纪以来，人们从最初认识到的两种力，万有引力和电磁力，逐步扩展到了四种：万有引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力。
要谈到这四种力的产生和特点，就不能不谈到从爱因斯坦开始的一个梦想：将宇宙中所有的力用一个简洁的公式统一起来。
1955年4月17日是星期日，爱因斯坦从普林斯顿医院的病榻上坐起来，开始了他一生的最后一次计算。他以自己特有的干净利落的笔记，写下了一行又一行的符号。他整理了一些数字，然后把工作放在一边休息了。几个小时以后，20世纪最伟大的科学家去世了。他的床边放着他最后的，也是失败的一项努力，即创造自己的"统一场理论"——对于宇宙中所有已知力量的一项单一的、条理清晰的解释。
必须强调，将力划分成四种是种人为的方法；它仅仅是为了便于建立部分理论，而并不别具深意。
第一种力是引力，这种力是万有的，也就是说，每一粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有两个特别的性质，我们根本就不可能注意到它。这就是，它会作用到非常大的距离去，并且总是吸引的。这表明，在像地球和太阳这样两个巨大的物体中，所有的粒子之间的非常弱的引力能迭加起来而产生相当大的力量。
另一种力是电磁力。它作用于带电荷的粒子（例如电子和夸克）之间，但不和不带电荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力强得多：两个电子之间的电磁力比引力大约大100亿亿亿亿亿（在1后面有42个0）倍。然而，共有两种电荷--正电荷和负电荷。同种电荷之间的力是互相排斥的，而异种电荷则互相吸引。一个大的物体，譬如地球或太阳，包含了几乎等量的正电荷和负电荷。由于单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全抵消了，因此两个物体之间纯粹的电磁力非常小。然而，电磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在带负电的电子和带正电的核中的质子之间的电磁力使得电子绕着原子的核作公转，正如同引力使得地球绕着太阳旋转一样。
第三种力称为弱核力，主要表现在粒子的衰变过程。它制约着放射性现象，并只作用于自旋为1/2的物质粒子，而对诸如光子、引力子等粒子不起作用。直到1967年伦敦帝国学院的阿伯达斯?萨拉姆和哈佛的史蒂芬?温伯格提出了弱作用和电磁作用的统一理论后，弱作用才被很好地理解。此举在物理学界所引起的震动，可与100年前马克斯韦统一了电学和磁学并驾齐驱。
第四种力是强作用力（或强核力）。它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起，它只能与自身以及与夸克相互作用，人们认为其作用机制乃是核子间相互交换介子而产生的。
最早被人们认识的相互作用是电磁相互作用。公元前6世纪古希腊的泰勒斯用琥珀和毛皮摩擦，开始认识摩擦生电现象。麦克斯韦总结了前人一系列发现和实验成果，于1875年提出了描写电磁作用的基本运动方程式，后来称为麦克斯韦方程。这是第一个完整的电磁理论体系，它把两类作用--电与磁--统一起来了，定量地描述了它们之间的相互影响相互转变的规律。麦克斯韦方程还揭示了光的电磁本质：光本身是一种电磁波。
人类认识的第二种相互作用是引力作用。在哥白尼(Coper-nicus)，开普勒(Kepler)，伽利略(Galileo)等科学家对天体运行的大量观测和归纳基础上，牛顿(Newton)提出了万有引力定律，它很好地解释了与引力有关的大量实验。物体间的引力作用是很弱的，只有涉及星体这样的庞然大物，实验上才能感受到引力作用；引力作用又与电磁作用不同，任何物质间都存在引力。因此，在许多电中性物体的运动中，例如宇宙中星体运行、地球表面物体的运动等现象中引力会占有优势。
另外两类相互作用都是短程作用，只在微观现象中才显示出来，因此人类认识它们的时间不长，认识的深度也远远不及前两种作用。从放射性原子核的β衰变中人类开始接触到弱相互作用，以后在观测微观粒子衰变现象中丰富了关于弱相互作用的实验积累。
人类对强相互作用的认识也是从核力作用开始的。原子核由质子和中子组成，原子核大小在十万亿分之一厘米的数量级，每个核子的平均结合能为800万电子伏特。原子核在裂变和聚变反应中，可以释放大量能量。质子和中子能以如此大的结合能来束缚在如此小的范围内，它们之间必须有很强的相互作用。这种作用开始称为核力，后来发现它不仅存在于核子之间，也存在于其他一些微观粒子之间，故统称为强相互作用。存在强相互作用的粒子称为强子。强相互作用比电磁相互作用又强了许多倍，但人类对强相互作用的理解还是极其初步的。
长期以来，人们有一种朴素的愿望，世界是统一的，各种基本相互作用应该有统一的起源。许多著名物理学家，例如爱因斯坦、海森堡、泡里（Pauli）等，在晚年致力于统一理论的研究，但是没有取得成功。
麦克斯韦方程统一了电和磁两种相互作用, 温伯格（1967年）和萨拉姆（1968年）在格拉肖早期工作的基础上，成功地建立了一个优美的理论，把电磁力和弱相互作用力看做是一个单一的力--电弱力--的不同表现形式，从而把它们统一起来。这模型的成功加深了人类对弱作用和电磁作用本质的认识，也推动人们在规范理论基础上把各种相互作用统一起来的努力。 20世纪的物理学有两次大的革命：一次是狭义相对论和广义相对论，它几乎是爱因斯坦一人完成的；另一次是量子理论的建立。经过人们的努力，量子理论与狭义相对论成功地结合成量子场论，这是迄今为止最为成功的理论。
广义相对论也有长足的发展，在小至太阳系，大至整个宇宙范围里，实验观测与理论很好地符合。但在极端条件下，引出了时空奇异，显示了理论自身的不完善。就我们现在的认识水平，量子场论和广义相对论是相互不自洽的，因此量子场论和广义相对论应该在一个更大的理论框架里统一起来。
爱因斯坦建立相对论之后自然地想到要统一当时公知的两种相互作用??万有引力和电磁力。他花费了后半生近40年的主要精力去寻求和建立一个统一理论，但没有成功。现在回过头来看历史，爱因斯坦的失败并不奇怪。实际上自然界还存在另外两种相互作用力??弱力和强力。现在已经知道，自然界中总共4种相互作用力除有引力之外的3种都可有量子理论来描述，电磁、弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换"量子"来解释的。但是，引力的形成完全是另一回事，爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的。在这一图像中，弥漫在空间中的物质使空间弯曲了，而弯曲的空间决定粒子的运动。人们也可以模仿解释电磁力的方法来解释引力，这时物质交换的"量子"称为引力子，但这一尝试却遇到了理论上的很多困难。
近年来，一种新的统一理论正在兴起，称为超弦（super-string）理论。这理论认为微观粒子不是一个点，而是一条一维弦，自然界中的各种不同粒子都是一维弦的不同振动模式，并在弦的基础上形成一套量子化方法。这理论宣称这是第一次得到的可重整化引力理论，这理论只有几个基本参数，其他参数原则上都可以在理论中计算得到，只是由于数学上的困难，暂时还算不出来。人们期望这一理论可以统一四种基本相互作用，当然，目前困难还很大，对这理论持批评意见的人也很多。
上个世纪后半叶以来，不少科学家提出了各种大统一理论，希望将四种力用一种理论统一起来，但都遇到这样那样的困难，其中只有弱力和电磁力的统一（称之为电弱力）较为满意。用规范理论统一四种基本相互作用是一种诱人的因素，但是在前进道路上也有可能会遭到失败。也许人们还会寻找新的途径去统一各种基本的相互作用。通过一系列探索、失败、成功，再失败，再成功，不断发现矛盾，解决矛盾，每一次循环都在加深着人类对自然界的认识。
四种力的比较
来源：江西教师网