小物和小理的物理對(duì)話錄(81)
———對(duì)4種基本相互作用的認(rèn)識(shí)

◇ 北京 潘瑩瑩 孟衛(wèi)東(特級(jí)教師)

前言:小物和小理是2名普通的高中生,他們酷愛(ài)物理,在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中,小物經(jīng)常向小理提出許多刁鉆而有趣的物理問(wèn)題,了解他們的故事也能讓你的物理達(dá)到新的高度.

1 對(duì)話錄

小物:最近我在很認(rèn)真地思考一個(gè)問(wèn)題,咱們?cè)诔踔袝r(shí)只是簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)了“力是一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體的作用,力的作用是相互的”.除此之外,我對(duì)相互作用就幾乎一無(wú)所知了,你還有其他了解嗎?

小理:可以啊,這么有上進(jìn)心!

小物:那是,我現(xiàn)在學(xué)習(xí)物理的熱情高漲,你快給我講講你對(duì)相互作用的認(rèn)識(shí).

小理:其實(shí)咱們高中物理教材對(duì)相互作用也有簡(jiǎn)單介紹,我只是在此基礎(chǔ)上了解得多一些而已.那我就給你系統(tǒng)地講講相互作用.

小物:好嘞,洗耳恭聽!

2 小理的解釋

2.1 力是物體間的相互作用

自然界中的物體并不是孤立存在的,它們之間具有多種多樣的相互作用.正是由于這些相互作用,物體在形狀、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及其他許多肉眼不能察覺(jué)的方面發(fā)生著變化.物理學(xué)中,物體間的這些相互作用抽象為一個(gè)概念——力.

2.2 4種基本相互作用

目前,物理學(xué)界公認(rèn)自然界存在4種基本相互作用:引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用.

1)引力相互作用

從17世紀(jì)下半葉起,人們發(fā)現(xiàn),相互作用存在于一切物體之間,直到宇宙的深處,只是相互作用的強(qiáng)度隨著距離的增大而減弱,在物理學(xué)中,我們將其稱為萬(wàn)有引力.

引力是自然界中的一種基本相互作用,地表物體所受的重力只是引力在地球附近的一種表現(xiàn).4種基本相互作用中,人們對(duì)引力相互作用的研究歷史最久,所有具有質(zhì)量的物體之間的相互作用,均表現(xiàn)為引力,它是一種長(zhǎng)程力,力程為無(wú)窮大.其遵循的規(guī)律是萬(wàn)有引力定律,更為精確的理論是廣義相對(duì)論.

由于萬(wàn)有引力常量G很小,因此對(duì)于普通大小的物體來(lái)說(shuō),它們之間的引力非常微弱,可忽略不計(jì).但是對(duì)于具有極大質(zhì)量的天體來(lái)說(shuō),引力就成為決定它們之間以及它們與物體之間相互作用的主要因素.例如,地球?qū)τ谄浔砻嫔系囊话阄矬w的引力,決定了物體的自由下落和拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.引力還可以解釋一些大范圍的天文現(xiàn)象,例如銀河系、黑洞和宇宙膨脹以及行星的公轉(zhuǎn)等.

2)電磁相互作用

電荷之間同樣存在著相互作用:同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引.類似地,兩個(gè)磁體之間也存在相互作用:同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引.電磁相互作用包括靜止電荷之間以及運(yùn)動(dòng)電荷之間的相互作用.兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用規(guī)律是19世紀(jì)法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵霭l(fā)現(xiàn)的.運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子之間除了存在庫(kù)侖靜電力的作用外,還存在磁力(洛倫茲力)的相互作用.

根據(jù)麥克斯韋電磁理論和愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論可知,電和磁是密切相關(guān)的,是統(tǒng)一的.在一個(gè)參考系中觀察到的磁力可以和另一個(gè)參考系中觀察到的庫(kù)侖力聯(lián)系起來(lái),因此電力、磁力統(tǒng)稱為電磁相互作用.

3)強(qiáng)相互作用

20世紀(jì),物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子核是由若干帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成的,而帶正電的質(zhì)子之間存在斥力,這種斥力比它們之間的萬(wàn)有引力大得多,似乎質(zhì)子與質(zhì)子團(tuán)聚在一起是不可能的.于是他們認(rèn)識(shí)到,一定有一種未知的強(qiáng)大的相互作用存在,使得原子核緊密地結(jié)合在一起,這種作用稱為強(qiáng)相互作用.與萬(wàn)有引力和磁力不同,距離增大時(shí),強(qiáng)相互作用急劇減小,它的作用范圍只有約10－15m,即原子核的大小,超過(guò)這個(gè)界限,這種相互作用基本上已經(jīng)不存在了.

強(qiáng)相互作用是自然界4種基本相互作用中最強(qiáng)的一種.自1947年發(fā)現(xiàn)與核子作用的π介子以后,實(shí)驗(yàn)中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了幾百種有強(qiáng)相互作用的粒子,這些粒子統(tǒng)稱為強(qiáng)子.

強(qiáng)相互作用比其他3種基本作用有更大的對(duì)稱性.人們用強(qiáng)子的夸克模型和規(guī)范場(chǎng)的概念提出量子色動(dòng)力學(xué),在該理論中,強(qiáng)相互作用是由組成強(qiáng)子的夸克之間通過(guò)一些被稱為膠子的規(guī)范粒子場(chǎng)傳遞的,它被認(rèn)為是最有希望的強(qiáng)相互作用力基本理論之一.

4)弱相互作用

弱相互作用的發(fā)現(xiàn)始于1898年法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾·居里夫婦發(fā)現(xiàn)的β衰變,顧名思義,弱相互作用十分微弱,通過(guò)這種作用衰變的過(guò)程壽命大致在億分之一秒的數(shù)量級(jí),相比典型的通過(guò)電磁作用衰變的過(guò)程要慢七八個(gè)量級(jí),所以這種作用才命名為弱相互作用.弱相互作用的作用范圍也很小,與強(qiáng)相互作用相同,但強(qiáng)度只有強(qiáng)相互作用的10－6.

3 4種基本作用的比較

引力、電磁力能在宏觀世界里顯示其作用,這兩種力是長(zhǎng)程力,從理論上講,它們的作用范圍是無(wú)限的,其中電磁力與引力相比要強(qiáng)得多.除引力外,所有接觸力(彈力、摩擦力、表面張力、附著力等)都是大量原子、分子之間電磁相互作用的宏觀表現(xiàn).

弱相互作用和強(qiáng)相互作用是短程力,短程力的相互作用范圍是原子核尺度,這兩種力只有在原子核內(nèi)部和基本粒子的相互作用中才顯示出來(lái),在宏觀世界里不能察覺(jué)它們的存在.

4種相互作用按照強(qiáng)度來(lái)排序是:強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用.一對(duì)質(zhì)子在相距10－15m時(shí),各種相互作用的強(qiáng)度為(假定此時(shí)強(qiáng)相互作用強(qiáng)度的數(shù)量級(jí)為1):

強(qiáng)相互作用 1

電磁相互作用 10－2

弱相互作用 10－14

引力相互作用 10－40

4種基本相互作用的特點(diǎn)已被大家所認(rèn)識(shí),其中引力和電磁作用最先被人們認(rèn)識(shí),并且研究得比較充分,而由近代物理揭示的弱相互作用和強(qiáng)相互作用的規(guī)律還有待進(jìn)一步完善.當(dāng)然,物理學(xué)界一直存在一個(gè)謎:沒(méi)有人確切知道為什么會(huì)是這樣的4種相互作用,許多物理學(xué)家認(rèn)為它們可能是某種相互作用在不同條件下的不同表現(xiàn),就像電和磁是電磁相互作用的不同形式一樣,為此人們做了很多的研究工作,但至今仍沒(méi)有公認(rèn)的結(jié)論.

這正如牛頓所說(shuō):真理的大海依然在我們面前,但卻尚未發(fā)現(xiàn).我們?nèi)孕枥^續(xù)追求自然界相互作用統(tǒng)一的理想,并為此不斷努力,將物理學(xué)向前推進(jìn).