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科學(xué)常識(shí)種種9-1：宇宙中的四種基本作用力

基本相互作用為物質(zhì)間最基本的相互作用，通常稱為“自然界四力”或“宇宙基本力”。迄今為止觀察到的所有關(guān)于物質(zhì)的物理現(xiàn)象，在物理學(xué)中都可借助這四種基本相互作用的機(jī)制得到描述和解釋。

（1）引力又稱重力，是四個(gè)基本相互作用中最弱的，但是同時(shí)又是作用范圍最大的（不會(huì)如電磁力一般相互抵銷）。但當(dāng)距離增大，引力相互作用的影響力就會(huì)遞減，假設(shè)兩物件的相互距離為r，其作用力則可以1/r²的計(jì)算式推論出來。不像其他的相互作用，引力可以廣泛地作用于所有的物質(zhì)。

由于作用范圍極大，引力可以解釋一些大范圍的天文現(xiàn)象，比如：銀河系、黑洞和宇宙膨脹；以及基本天文現(xiàn)象，例如行星的公轉(zhuǎn)；還有一些生活常識(shí)，例如物體下落、很重的物體好像被固定在地上、人不能跳得太高等。

萬有引力是第一種被數(shù)學(xué)理論描述的相互作用。在古代，亞里士多德建立了具有不同質(zhì)量的物體是以不同的速度下落的理論。到了科學(xué)革命時(shí)期，伽利略用試驗(yàn)推翻了這個(gè)理論－如果忽略空氣阻力，那么所有的物體都會(huì)以相同的速度落向地面。

艾薩克·牛頓發(fā)現(xiàn)地心引力，進(jìn)而引伸出萬有引力定律 (1687年) ，是一個(gè)用來描述通常引力行為非常好的近例。

在1915年, 阿爾伯特·愛因斯坦完成了廣義相對(duì)論，將引力用另一種方式描述，即時(shí)空幾何，并指出引力是空間與時(shí)間彎曲的一種影響。

（2）電磁力：世上大部分物質(zhì)都具有電磁力，而磁與電是電磁力其中的一種表現(xiàn)模式。例如電荷異性相吸、同性相斥的特性是其中之一。電磁力和引力一樣，其作用影響范圍是無限大的。

當(dāng)進(jìn)入到原子的尺度時(shí) (0.1nm)，會(huì)發(fā)現(xiàn)所有的物質(zhì)都是由不同的原子構(gòu)成的，而原子是由不同的原子核與電子構(gòu)成的，帶負(fù)電的電子與帶正電的原子核（由質(zhì)子與中子構(gòu)成）經(jīng)由電磁作用緊密地結(jié)合在一起。

但在原子的尺度時(shí)，我們必須用量子化的電磁場(chǎng)來描述，這種描述法，就是把兩粒子之間的作用看成是在交換光子。

其實(shí)光就是一種電磁波，量子化的電磁作用也就是光電作用。這樣的描述在1950年代就已發(fā)展得相當(dāng)完善了，稱作量子電動(dòng)力學(xué)（quantum electrodynamics, QED）。

而且近年來研究發(fā)現(xiàn)，在某些狀況下，電磁力和弱核作用力可以統(tǒng)一，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使得人類距離大統(tǒng)一理論更進(jìn)一步。

（3）強(qiáng)相互作用力又稱為強(qiáng)核力，所有存在宇宙中的物質(zhì)都是由原子構(gòu)成，原子由電子和原子核組成，而原子核是由中子和質(zhì)子組成。電子帶負(fù)電荷，中子不帶電荷，而質(zhì)子則帶正電荷。這需要牽引力把它們結(jié)合在一起，而強(qiáng)相互作用力就是這種“牽引力”

（4）弱相互作用力又稱為弱核力，可以說是核能的另一種來源，主要是核子產(chǎn)生的天然輻射，四種相互作用力中，弱相互作用只比引力強(qiáng)一點(diǎn)。

如今，一個(gè)活躍的領(lǐng)域正致力于用一個(gè)使用范圍更廣的理論來統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子力學(xué)－大統(tǒng)一理論。大統(tǒng)一理論認(rèn)為：強(qiáng)相互作用、弱相互作用和電磁相互作用可以統(tǒng)一成一種相互作用，目前統(tǒng)一弱相互作用和電磁相互作用的電弱統(tǒng)一理論已經(jīng)獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí)。