自然界的四种基本力量是什么?

这个小家伙就要知道重力是怎么回事了。

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你意识到的第一个力可能是重力。作为一个蹒跚学步的孩子，你必须学会反抗它，学会走路。当你跌倒时，你立刻感觉到重力把你拉回到地板上。除了给幼儿带来麻烦，重力还能月亮行星,太阳，星星和星系在宇宙中各自的轨道上。它可以在极远的距离上工作，有无限的范围。

艾萨克·牛顿设想万有引力是任何两个物体之间的拉力，它与它们的质量直接相关，与它们之间距离的平方成反比。他的万有引力定律使人类能够把宇航员送上月球，把机器人探测器送上太阳系的外围。从1687年到20世纪初，牛顿的思想重力任何两个物体之间的“拔河”在物理学中占据主导地位。

但有一种现象牛顿的理论无法解释，那就是水星的特殊轨道。轨道本身似乎在旋转(也称为旋进)。自19世纪中期以来，这一发现令天文学家感到沮丧。1915年，阿尔伯特·爱因斯坦意识到牛顿的运动和重力定律不适用于高重力或高速(如光速)的物体。

在他的广义相对论中，爱因斯坦把引力想象成由质量引起的空间扭曲。想象一下，你把一个保龄球放在一块橡胶板的中间。球使床单(重力井或重力场)凹陷。如果你把弹珠滚向球，它会掉进凹陷处(被球吸引)，甚至可能在球击中前绕着球(轨道)转。根据弹珠的速度，它可能会逃离凹陷处并通过球，但凹陷处可能会改变弹珠的路径。像太阳这样的大质量物体周围的重力场也是如此。爱因斯坦从他自己的相对论中推导出牛顿的万有引力定律，并证明牛顿的理论是相对论的一个特例，特别是适用于弱引力和低速的相对论。

当考虑大质量物体时(地球如恒星、星系等)，引力似乎是最强大的力量。然而，当你在原子水平上施加引力时，它几乎没有效果，因为亚原子粒子的质量是如此之小。在这个层面上，它实际上被降级为最弱的力量。

让我们看看电磁力，下一个基本力。

拜托，每个人都知道异性相吸，连宝拉·阿巴杜都知道。

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如果你梳几次头发，你的头发可能会竖起来，被梳子吸引。为什么?刷子的运动将电荷传递给每根头发，而同一电荷的每根头发彼此排斥。同样地，如果你把两块磁铁棒的相同磁极放在一起，它们会相互排斥。但是把磁体的相反极放在彼此附近，磁体就会相互吸引。这些都是我们熟悉的例子电磁力;异性电荷相吸，同性电荷相斥。

自18世纪以来，科学家们一直在研究电磁学，其中有几位做出了显著的贡献。

当科学家们研究出原子在20世纪初，他们了解到亚原子粒子相互施加电磁力。例如，带正电荷的质子可以在环绕原子核的轨道上持有带负电荷的电子。此外，一个原子的电子吸引相邻原子的质子而形成a剩余电磁力这样你就不会从椅子上掉下来。

但电磁学是如何在大千世界的无限范围内和在原子水平的短范围内工作的呢?物理学家认为光子可以远距离传输电磁力。但他们必须设计理论来调和原子层面上的电磁，这导致了量子电动力学（QED）.量子电动力学认为，光子在宏观和微观上都传递电磁力;然而，亚原子粒子在电磁相互作用中不断交换虚光子。

但电磁学无法解释原子核是如何结合在一起的。这就是核力发挥作用的地方。

汤川秀树博士(右)于1949年12月10日在斯德哥尔摩接受了当时瑞典王储古斯塔夫·阿道夫颁发的诺贝尔物理学奖，以表彰他对介子的假设。

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任何原子是由带正电的质子和中性的中子组成的。电磁告诉我们质子会互相排斥原子核会飞离。我们还知道，引力在亚原子尺度上不起作用，所以在原子核中一定存在某种比引力和电磁力更强的力。此外，由于我们不像对待重力和电磁力那样每天都能感受到这种力，所以它必定在非常短的距离内起作用，比如说在原子的尺度上。

使原子核聚集在一起的力叫做强大的力量，又称强核力或强核相互作用。1935年，汤川秀树模拟了这种力，并提出质子相互作用和中子交换一种叫做a的粒子介子——后来被称为介子——传递强大的力量。

20世纪50年代，物理学家建造了粒子加速器来探索细胞核的结构。当他们以高速撞击原子时，他们发现了汤川预言的介子。他们还发现质子和中子是由更小的粒子组成的夸克．因此，强力将夸克聚集在一起，而夸克又将原子核聚集在一起。

另一种核现象必须解释:放射性衰变。在辐射中，中子衰变为质子、反中微子和电子(粒子)。电子和反中微子从原子核中喷射出来。造成这种衰变和发射的力一定是不同的，而且比强的力弱，因此它有个不幸的名字弱力或者弱核力，或者弱相互作用。

随着夸克的发现，弱力被证明是通过被称为W玻色子和Z玻色子的粒子交换将一种夸克变成另一种夸克的原因，这两种粒子是在1983年发现的。最终，弱力使核聚变在太阳和星星之所以可能，是因为它允许氢同位素氘的形成和聚变。

现在你可以命名这四种力——重力、电磁力、弱力和强力——我们来看看它们是如何相互比较和相互作用的。

来自QED和量子色动力学,或量子色这是物理学的一个领域，描述了亚原子粒子和核力之间的相互作用，我们看到许多力是通过物体交换粒子传递的测量粒子或计玻色子．这些物体可以是夸克、质子、电子、原子，磁铁甚至行星。那么，交换粒子是如何传递力的呢?假设两个滑冰运动员站在一段距离之外。如果一名选手向另一名选手扔球，选手们就会彼此离得更远。力以类似的方式起作用。

物理学家已经将大多数力的规范粒子分离出来。强力使用π介子另一个粒子叫做a胶子．弱力使用W和Z玻色子．的电磁强制使用光子．重力被认为是由一种叫做a引力子；然而，引力子还没有被发现。一些与核力相关的规范粒子有质量，而另一些则没有(电磁力、重力)。由于电磁力和引力可以在像光年这样的巨大距离上运行，它们的规范粒子必须能够以光速传播，对于引力子来说可能更快。物理学家不知道重力是如何传递的。但是根据爱因斯坦的狭义相对论，任何有质量的物体都不能以光，所以光子和引力子是无质量的规范粒子是有道理的。事实上，物理学家已经坚定地认为光子没有质量。

哪一种力量是最强大的?这就是强核力。然而，它的作用范围很短，大约只有原子核的大小。弱核力的强度是强核力的百万分之一，而且范围更短，小于一个质子的直径。电磁力的强度约为核力的0.7%，但它的范围是无限的，因为携带电磁力的光子以光速传播。最后，重力是最弱的力，约为6 × 10^-29年乘以强核力。然而，重力的范围是无限的。

物理学家们目前正在追求这样的想法:四种基本力可能是相互关联的，它们起源于宇宙早期的一种力。这种想法并非史无前例。我们曾经认为电和磁是独立的实体，但奥斯特、法拉第、麦克斯韦和其他人的研究表明，它们是相关的。把基本力和亚原子粒子联系起来的理论被恰当地称为大统一理论．接下来将详细介绍。

大型强子对撞机的磁芯有一天可能会将强力和电弱力结合起来。

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科学是永不停歇的，所以对基本力量的研究还远未完成。下一个挑战是构建一个关于四种力的大统一理论，这是一项特别困难的任务，因为科学家们一直在努力调和各种理论重力与量子力学有关。

这就是粒子加速器会派上用场的地方，它可以引发更高能量的碰撞。1963年，物理学家谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)、阿卜杜勒·萨拉姆(Abdul Salam)和史蒂夫·温伯格(Steve Weinberg)提出，弱核力和电磁力可能以更高的能量结合在一起，我们称之为电弱力．他们预测，这将在能量约为100千兆电子伏(100GeV)或温度为10的情况下发生¹⁵K，发生在大爆炸．1983年，物理学家在粒子加速器中达到了这样的温度，并证明电磁力和弱核力是相关的。

理论预测，当能量大于10时，强力将与电弱力结合¹⁵GeV和所有的力量可以联合在能量超过10¹⁹GeV。这些能量接近于大爆炸．物理学家正在努力建造可能达到这些温度的粒子加速器。最大的粒子加速器是大型强子对撞机在欧洲核子研究中心在瑞士日内瓦。当它上线时，它将能够将质子加速到光速的99.99%，并达到14万亿电子伏或14 TeV的碰撞能量，相当于14000 GeV或1.4 x 10⁴GeV。

如果物理学家能证明宇宙从大爆炸中冷却时，四种基本力确实来自一个统一的力，那将会改变你的日常生活吗?可能不会。然而，它将推进我们对力的本质的理解，以及宇宙的起源和命运。