宇宙中的四种基本作用力合编.pptx

宇宙中的四种基本作用力 基本相互作用为物质间最基本的相互作用，通常称为“自然界四力”或“宇宙基本力”。迄今为止观察到的所有关于物质的物理现象，在物理学中都可借助这四种基本相互作用的机制得到描述和解释。 （1）引力相互作用力 （2）电磁相互作用力 （3）强相互作用力 （4）弱相互作用力 引力 引力又称重力，是四个基本相互作用中最弱的，但是同时又是作用范围最大的（不会如电磁力一般相互抵销）。但当距离增大，引力相互作用的影响力就会递减，假设两物件的相互距离为r，其作用力则可以1/r2的计算式推论出来。不像其他的相互作用，引力可以广泛地作用于所有的物质。 由于作用范围极大，引力可以解释一些大范围的天文现象，比如：银河系、黑洞和宇宙膨胀；以及基本天文现象，例如行星的公转；还有一些生活常识，例如物体下落、很重的物体好像被固定在地上、人不能跳得太高等。 万有引力是第一种被数学理论描述的相互作用。在古代，亚里士多德建立了具有不同质量的物体是以不同的速度下落的理论。到了科学革命时期，伽利略用试验推翻了这个理论－如果忽略空气阻力，那么所有的物体都会以相同的速度落向地面。 艾萨克·牛顿发现地心引力，进而引伸出万有引力定律 (1687年) ，是一个用来描述通常引力行为非常好的近例。 在1915年, 阿尔伯特·爱因斯坦完成了广义相对论，将引力用另一种方式描述，即时空几何，并指出引力是空间与时间弯曲的一种影响。 电磁力 世上大部分物质都具有电磁力，而磁与电是电磁力其中的一种表现模式。例如电荷异性相吸、同性相斥的特性是其中之一。电磁力和引力一样，其作用影响范围是无限大的。 当进入到原子的尺度时 (0.1nm)，会发现所有的物质都是由不同的原子构成的，而原子是由不同的原子核与电子构成的，带负电的电子与带正电的原子核（由质子与中子构成）经由电磁作用紧密地结合在一起。 但在原子的尺度时，我们必须用量子化的电磁场来描述，这种描述法，就是把两粒子之间的作用看成是在交换光子。 其实光就是一种电磁波，量子化的电磁作用也就是光电作用。这样的描述在1950年代就已发展得相当完善了，称作量子电动力学（quantum electrodynamics, QED）。 强相互作用力 强相互作用力又称为强核力，所有存在宇宙中的物质都是由原子构成，原子由电子和原子核组成，而原子核是由中子和质子组成。电子带负电荷，中子不带电荷，而质子则带正电荷。这需要牵引力把它们结合在一起，而强相互作用力就是这种“牵引力” 强核力是四种基本力中最强的力，但是力程最短。它存在于一个原子的原子核内，把原子内的中子和带正电荷的质子结合在一起（质子经常试图互相推开，如果没有强核力，它们将相互飞开）。 弱相互作用力 弱相互作用力又称为弱核力，可以说是核能的另一种来源，主要是核子产生的天然辐射，四种相互作用力中，弱相互作用只比引力强一点。 如今，一个活跃的领域正致力于用一个使用范围更广的理论来统一广义相对论和量子力学－大统一理论。大统一理论认为：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用可以统一成一种相互作用，目前统一弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已经获得实验证实。 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。 谢谢观赏