自然界的四种基本力

自然界的四种基本力

力是自然科学理论大厦的基石;力的发现和力学理论的建立，是自然科学从幼稚走向成熟的重要标志。

在牛顿以前，古希腊科学家解释自然现象的理论框架是"和谐"。譬如，地球为什么是球形的?行星为什么作圆周运动?他们认为，球形和圆周运动最匀称、最饱满、最稳定，即最和谐。所以，找到了和谐，也就找到了满意的答案。在牛顿以后，科学家则用力的框架代替了和谐框架。今天，科学家对自然现象的解释就是致力于寻找隐藏在现象背后的作用力，找到了作用力，也就等于找到了现象存在的原因。显然，力的框架与和谐的框架相比具有明显的优越性。它不仅可以精确地解释许多以前无法解决的难题，而且还能准确地预见许多自然现象。

今天，当我们用力的观点考察世界时发现，在自然界中，物质的运动无不受力的支配。无论是物理运动、机械运动、化学运动，还是生物运动，都离不开力的作用。强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和万有引力支配着宇宙的一切运动。同时，正如科学家们所言，科学理论的诠释之箭只有指向力学才是最基本的、最令人信服的。因此，从研究各种自然力开始，并着手寻找它在生物系统和社会系统中的可能表现形式，就有可能找到物质系统与生物系统和社会系统之间的某种联系，发现存在于生物系统和社会系统中的新的作用力。倘若如此，社会科学就有可能如同自然科学一样有一个坚实的基石，并最终实现与自然科学的联姻或统一。

从原子到美洲豹，从细菌到你我他，从鲜花到牛粪尿，从爱因斯坦的大脑到花岗岩，所有这些存在物虽然表现出的结构、形态和运动各不相同，但是从本质上讲，它们都是由自然界四种基本作用力所编制的"实体"。因此，五彩缤纷的世界背后，蕴藏着一种令人难以置信的简单韵律～

四种基本相互作用力在编制世界的过程中，分别统管着不同的层次和范围，各有职责，各尽其力。它们既有共同点，也有不同点。共同点是它们都有作用源，都有传递相互作用的"媒介"粒子。不同点是它们的作用强度、作用力程、作用源和"媒介"粒子等都各不相同。

在四种基本作用力中，强相互作用力最强，万有引力最弱。如果将强相互作用力的强度规定为1，那么电磁力就是1/137，弱相互作用力就是10-13，万有引力就是10-39。万有引力和电磁力是长程力，其作用距离在理论上讲可以抵达无穷远处，传递它们的作用的"媒介"粒子是没有静止质量的引力子和光子。而强相互作用力和弱相互作用力都是短程力，它们的作用距离分别只有10-15厘米和10-17厘米，传递它们作用的"媒介"粒子是有质量的胶子和玻色子W+，W-，Z0粒子。

表:四种基本作用力的性质

名称媒介粒子作用源(荷)强度力程

稳定系统反应类型

强相互作用力

胶子颜色(红,绿,蓝)

110-15厘米

原子荷反应

弱相互作用力

玻色子W+,W-,Z0

弱荷

10-13 10-17厘米

无放射性

电磁力

光子电荷10-2

无穷远所有物

化学反应

万有引力

引力子质量10-39

无穷远

太阳系自由落体

每一种力都有其作用的根源。宏观长程作用力--万有引力和电磁力的作用源分别是质量和电荷，换句话说，万有引力源于质量，电磁力则源于电荷。亚核水平的两种短程力--强相互作用力和弱相互作用力与宏观长程作用力一样，也有自己的作用源。物理学家把强相互作用力的作用源称为"颜色"，把弱相互作用力的作用源称为"弱荷"。质量、电荷、颜色和弱荷等四种"荷"分别是四种作用产生的根源，它们的量越多，各种力的作用也就越强，亦即作用力越大。"荷"具有选择性，质量只能作用(吸引)质量，电荷只能作用(吸引和排斥)电荷，颜色只能作用颜色，弱荷只能作用弱荷。

万有引力是我们最熟悉的力，也是最早用数学方法进行描述的力。它存在于一切有质量的物体之间。我们的身体之所以有重量，陨石之所以会降落到地球上，原因就在于我们的身体、陨石和地球都有质量，在它们之间有万有引力。万有引力的作用强度随距离的增大而减弱(与距离的平方成反比)。虽然万有引力与另外三种相互作用力相比小得几乎可以忽略不记，但由于强、弱相互作用是短程力，而在较大的物体中正、负电荷都几乎等量存在，被相互抵消，电磁作用也会被削弱，所以在相距遥远的天体之间，万有引力就处于绝对的支配地位。行星之所以老老实实地围绕太阳转，星系的运动之所以井然有序，原因就在于万有引力像一个忠实的牧羊犬一样，一刻不停地"看管"着这些天体。如果没有万有引力，宇宙将失去秩序。

电磁力经常表现为两种作用，即电力和磁力，但是它们的作用源实际上都是电荷，它们既能相互转化，也能相互作用，所以它们在本质上是一种力。电磁力是保持物质形状最基本的力。电子之所以围绕原子核运动，分子之所以能形成晶体，蛋白质、核酸等之所以能构成生命，总之，我们的宇宙之所以千姿百态，五光十色，关键就在于电磁力。

强相互作用力是较晚发现的，也是最难理解的力之一。这种力不仅仅发生在质子和中子之间，所有的强子之间都有这种作用。由于强子是由夸克组成的，因此夸克间的作用才是最基本的力。电荷只有正电荷和负电荷两种，而夸克则有上夸克(u)、下夸克(d)、粲夸克(c)、奇异夸克(s)、顶夸克(t)、底夸克(b)六种，所以强子中三个关联的夸克的相互作用比电磁力要复杂得多。它的"荷"，即颜色有三种，分别称为红(R)、绿(G)和蓝(B)，记做uR、uG和uB。与此颜色相对应，物理学家又非常浪漫地用"味道"这个词来区别u、d、c、s、t、b六种夸克的不同。颜色在强相互作用中的地位相当于电荷在电磁作用中的地位。

弱相互作用力与其它三种相互作用力稍有区别，它主要是改变粒子，而不是对粒子产生拉或推的效应。这种相互作用首先是在β衰变中发现的。在典型的β衰变中，中子衰变成质子、电子和反中微子。这个过程是由弱相互作用力引起的，中子的夸克味在此过程中发生了改变，由一个上夸克(u)变成下夸克(d)。在弱相互作用改变夸克和轻子的味的情况下，电子还可以变成中子。

jonathan注:弦论统一了四种基本力的理论，但是该理论最近受到了科学界的怀疑。