小物和小理的物理对话录(81)———对4种基本相互作用的认识

◇ 北京 潘莹莹 孟卫东(特级教师)

前言:小物和小理是2名普通的高中生,他们酷爱物理,在学习物理的过程中,小物经常向小理提出许多刁钻而有趣的物理问题,了解他们的故事也能让你的物理达到新的高度.

1 对话录

小物:最近我在很认真地思考一个问题,咱们在初中时只是简单学习了“力是一个物体对另一个物体的作用,力的作用是相互的”.除此之外,我对相互作用就几乎一无所知了,你还有其他了解吗?

小理:可以啊,这么有上进心!

小物:那是,我现在学习物理的热情高涨,你快给我讲讲你对相互作用的认识.

小理:其实咱们高中物理教材对相互作用也有简单介绍,我只是在此基础上了解得多一些而已.那我就给你系统地讲讲相互作用.

小物:好嘞,洗耳恭听!

2 小理的解释

2.1 力是物体间的相互作用

自然界中的物体并不是孤立存在的,它们之间具有多种多样的相互作用.正是由于这些相互作用,物体在形状、运动状态以及其他许多肉眼不能察觉的方面发生着变化.物理学中,物体间的这些相互作用抽象为一个概念——力.

2.2 4种基本相互作用

目前,物理学界公认自然界存在4种基本相互作用:引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用.

1)引力相互作用

从17世纪下半叶起,人们发现,相互作用存在于一切物体之间,直到宇宙的深处,只是相互作用的强度随着距离的增大而减弱,在物理学中,我们将其称为万有引力.

引力是自然界中的一种基本相互作用,地表物体所受的重力只是引力在地球附近的一种表现.4种基本相互作用中,人们对引力相互作用的研究历史最久,所有具有质量的物体之间的相互作用,均表现为引力,它是一种长程力,力程为无穷大.其遵循的规律是万有引力定律,更为精确的理论是广义相对论.

由于万有引力常量G很小,因此对于普通大小的物体来说,它们之间的引力非常微弱,可忽略不计.但是对于具有极大质量的天体来说,引力就成为决定它们之间以及它们与物体之间相互作用的主要因素.例如,地球对于其表面上的一般物体的引力,决定了物体的自由下落和抛体运动的规律.引力还可以解释一些大范围的天文现象,例如银河系、黑洞和宇宙膨胀以及行星的公转等.

2)电磁相互作用

电荷之间同样存在着相互作用:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引.类似地,两个磁体之间也存在相互作用:同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引.电磁相互作用包括静止电荷之间以及运动电荷之间的相互作用.两个静止点电荷之间的相互作用规律是19世纪法国物理学家库仑发现的.运动着的带电粒子之间除了存在库仑静电力的作用外,还存在磁力(洛伦兹力)的相互作用.

根据麦克斯韦电磁理论和爱因斯坦狭义相对论可知,电和磁是密切相关的,是统一的.在一个参考系中观察到的磁力可以和另一个参考系中观察到的库仑力联系起来,因此电力、磁力统称为电磁相互作用.

3)强相互作用

20世纪,物理学家发现原子核是由若干带正电的质子和不带电的中子组成的,而带正电的质子之间存在斥力,这种斥力比它们之间的万有引力大得多,似乎质子与质子团聚在一起是不可能的.于是他们认识到,一定有一种未知的强大的相互作用存在,使得原子核紧密地结合在一起,这种作用称为强相互作用.与万有引力和磁力不同,距离增大时,强相互作用急剧减小,它的作用范围只有约10－15m,即原子核的大小,超过这个界限,这种相互作用基本上已经不存在了.

强相互作用是自然界4种基本相互作用中最强的一种.自1947年发现与核子作用的π介子以后,实验中陆续发现了几百种有强相互作用的粒子,这些粒子统称为强子.

强相互作用比其他3种基本作用有更大的对称性.人们用强子的夸克模型和规范场的概念提出量子色动力学,在该理论中,强相互作用是由组成强子的夸克之间通过一些被称为胶子的规范粒子场传递的,它被认为是最有希望的强相互作用力基本理论之一.

4)弱相互作用

弱相互作用的发现始于1898年法国物理学家贝克勒尔·居里夫妇发现的β衰变,顾名思义,弱相互作用十分微弱,通过这种作用衰变的过程寿命大致在亿分之一秒的数量级,相比典型的通过电磁作用衰变的过程要慢七八个量级,所以这种作用才命名为弱相互作用.弱相互作用的作用范围也很小,与强相互作用相同,但强度只有强相互作用的10－6.

3 4种基本作用的比较

引力、电磁力能在宏观世界里显示其作用,这两种力是长程力,从理论上讲,它们的作用范围是无限的,其中电磁力与引力相比要强得多.除引力外,所有接触力(弹力、摩擦力、表面张力、附着力等)都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现.

弱相互作用和强相互作用是短程力,短程力的相互作用范围是原子核尺度,这两种力只有在原子核内部和基本粒子的相互作用中才显示出来,在宏观世界里不能察觉它们的存在.

4种相互作用按照强度来排序是:强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用.一对质子在相距10－15m时,各种相互作用的强度为(假定此时强相互作用强度的数量级为1):

强相互作用 1

电磁相互作用 10－2

弱相互作用 10－14

引力相互作用 10－40

4种基本相互作用的特点已被大家所认识,其中引力和电磁作用最先被人们认识,并且研究得比较充分,而由近代物理揭示的弱相互作用和强相互作用的规律还有待进一步完善.当然,物理学界一直存在一个谜:没有人确切知道为什么会是这样的4种相互作用,许多物理学家认为它们可能是某种相互作用在不同条件下的不同表现,就像电和磁是电磁相互作用的不同形式一样,为此人们做了很多的研究工作,但至今仍没有公认的结论.

这正如牛顿所说:真理的大海依然在我们面前,但却尚未发现.我们仍需继续追求自然界相互作用统一的理想,并为此不断努力,将物理学向前推进.