物理学的四大基本力,知道是哪四个吗?
物理学中的四大基本力,也是宇宙中的四大基本力。这四大基本力,也是构成了这个世界的基本规则,如果没有这四大基本力,可能就不会有星系,太阳系,甚至也不会有太阳和地球,就更别说人类了。也就是说,没有这四大基本力,就不会有我们看到的万事万物。下面我就来介绍一下四大基本力,到底是哪四个。
强核力:强核力作用于强子之间,是已知的四种宇宙间基本作用力中最强的一种,作用距离第二短(约10^(-15)~10^(-10)m)。最初被研究的强相互作用是核子(质子或中子)之间的核力,这是一种将核子与原子核结合在一起的行为。自从1947年发现了π介子后,人们在实验中陆续发现了数百个具有强相互作用的粒子,这些粒子统称为强子。把质子和中子中的夸克结合起来,把原子中的质子和中子结合起来。另一个通常被认为是胶子的自旋粒子,它携带着强大的力量。这只会和自身和夸克发生作用。
强核力量有一种叫做封闭的奇怪性质:它总是把粒子束缚在没有颜色的结合物中。因为夸克是有颜色的(红色,绿色和蓝色),人们无法单独得到一个夸克。相反地,红色夸克必须与绿色夸克和蓝色夸克结合起来(红+绿+蓝=白)。这种三胞胎可以组成质子或中子。另一种可能是由一对夸克和一组反夸克组成(红+反红,绿+反绿,蓝+反蓝=白)。这种结合组成了叫做介子的粒子。由于夸克和反夸克会相互湮灭,从而产生电子和其它粒子,所以介子是不稳定的。同样,由于胶子也是有颜色的,色禁闭使人们无法获得单个的胶子。
弱核力:弱相互作用(也称为弱核力或弱核力)是自然界四种基本力之一,其余三种为强核力、电磁力和重力。次子原子粒子的放射性衰变是由其引起的,而恒星中一个叫做氢核聚变的过程则由其引发。这种弱交互作用影响了所有的费米子,也就是自旋为半奇数的粒子。弱相互作用理论指出,在粒子物理的标准模型中,弱相互作用是由W和Z玻色子的交换(即发射和吸收)引起的,而弱的力则是由玻色子的发射(或吸收)引起的,因此它是一种非接触力。
这次发射中最著名的是β衰变,这是放射性的表现。重粒子的性质是不稳定的,由于Z和W玻色子的重量远大于质子和中子,所以弱相互作用的距离很短。这类相互作用被称为“弱”,是因为β衰变比强相互作用发生的可能性要小许多,表明其一般强度比电磁和强核力弱几个数量级。大多数微粒经过一段时间后,会以弱相互作用衰变。弱者之间的相互作用有一个独特的特点,即夸克味的变化,而其它相互作用则无法做到这一点。此外,它也会破坏宇称对称和CP对称。一个夸克的味道可以让它在六种味道中互相转换。
电磁力:电磁力通常指的是静电力。静电是指静止带电体间相互作用的力量。带电体可以被视为由多个点电荷组成,两个点电荷之间的作用力符合库仑定律。也被称为库仑力(库伦布force)。在两个静止的带电体之间的静电是构成它们的各点电荷之间互相作用的向量和。静电通过电场作为传输介质,即带电体在其周围产生电场,电场作用于电体的另一侧,使其产生力,使两个带电体受到相同的静电。根据库仑定律,静电力作功与路径无关,是一种保守力(见势能),因此,静电场是保守场,也称为势能,非旋场,其电力线是非闭合的,可以用电势(标量)来描述。电在产生静电场的电荷之间起作用。尽管对于比较复杂的带电系统来说,用库仑定律来计算某一物体受其他所有物体荷载的作用力是一件麻烦的事情,但是对于更复杂的带电系统来说,用库仑定律来计算某一物体受其他所有物体荷载的作用力却是一件困难的事情。
重力:指任何两个物体或两个粒子之间的吸引力,是由它们质量的乘积所组成,是自然界中最常见的力,简称重力。任何两个物体或两个粒子之间的吸引力,与它们质量的乘积有关,也是自然界中最常见的一种力,简称引力。质点物理中的重力相互作用与四种基本相互作用,即强、弱和电磁力相互作用。
重力是其中最弱的一种,两个质子之间的万有引力仅为它们之间电磁力的1/1/1.235*10的36次方,而质子在一个不强的电场中,1000伏/米的电磁力也仅为地球引力的1/9次方。所以,无论是研究粒子之间的作用,还是研究粒子在电子显微镜和加速器中的运动,都没有考虑到重力的影响。通常物体之间的引力也都很小,例如,两个直径为1米的铁球,当它们紧密接触时,引力也只有1.11×10-3牛顿,相当于0.113克的重量。但是,地球的质量是巨大的,两个铁球分别受到4×104牛顿引力。
因此,研究地球引力场中物体的运动,一般不会考虑到周围物体的引力。像太阳和地球这样的天体,质量很大,它们的乘积更大,巨大的引力可以使这些庞然大物围绕太阳旋转。重力成为控制天体运动的唯一力量,但造成这种引力的原因并不是天体间的拉扯,而是天体对周围时空的扭曲。在高温状态下,恒星的形成,不弥散反而逐渐收缩,最后坍缩成白矮星、中子星和黑洞,这都是由于恒星质量引起的时空扭曲,进而产生时空挤压作用所致,而非自身重力所致,所以引力也是促使天体演化的重要因素。质量越大,它对时间和空间的扭曲也越大,引力也越大。
这些就是四大基本力的简单介绍。相信看了的朋友都明白了为什么这四个力是宇宙基本力了吧。