牛頓在他的著作《自然哲學的數學原理》的序言中寫道:“我將這部著作作為哲學的數學原理來奉獻,因為哲學的全部職責似乎在于從運動現象中研究自然力。 ,然后用這些力來解釋其他現象。” 牛頓本人就是實踐這一想法的先驅。 他在發表三大運動定律的同時,也發表了萬有引力定律。 在牛頓之后的三百年里,物理學家從各種自然現象中尋找支配這些運動現象的力。 目前,物理學界認識到自然界存在四種基本相互作用:萬有引力(簡稱萬有引力)、電磁力、強相互作用和弱相互作用。
在宏觀世界中,只有兩種力能夠發揮作用:重力和電磁力。
重力是所有物體之間存在的相互作用。 由于萬有引力常數G很小,正常大小的物體之間的萬有引力就很弱,物體之間的萬有引力常常被忽略。 但對于質量極大的天體來說,引力就成為決定天體之間以及天體與物體之間關系的主要作用。 例如,地球對其表面一般物體的引力決定了物體的自由落體和拋射運動的規律。 天體、人造地球衛星或航天器在斷電后的運動中,重力起著主導作用。
電磁相互作用包括靜止電荷之間和移動電荷之間的相互作用。 兩個點電荷之間的相互作用定律是由法國物理學家庫侖在19世紀發現的。 除了庫侖靜電力之外,運動的帶電粒子之間還存在磁力(洛倫茲力)相互作用。 根據麥克斯韋電磁理論和狹義相對論,電和磁是密切相關和統一的。 在一個參考系中觀察到的磁力可以與在另一參考系中觀察到的庫侖力相關。 因此,電力和磁力統一為電磁相互作用。
重力和電磁力可以在宏觀世界中表現出它們的作用。 這兩種力都是遠程力,理論上它們的作用范圍是無限的。 然而,電磁力比重力弱得多。 除重力外,所有宏觀物體之間的接觸力都是大量原子、分子之間電磁相互作用的宏觀表現。
弱相互作用和強相互作用是短程力。 短程力的相互作用范圍在核尺度之內。 強力僅在10-15 m范圍內有顯著作用,弱力范圍不超過10-16 m。 這兩種力只表現在原子核內部與基本粒子的相互作用中,在宏觀世界中無法察覺到它們的存在。 弱相互作用是在原子核的β衰變中發現的,核子(質子、中子)、電子和中微子參與弱相互作用。 強相互作用是介子和重子(包括質子和中子)之間的相互作用。 由于這種力將核子結合在一起物理學家力一,核物理學家將其稱為核相互作用。
這四種相互作用按強度順序排列:強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。 當一對質子相距10-16 m時,各種相互作用的強度為(假設此時強相互作用強度的大小為1):
強互動1
電磁相互作用10-2
弱互動10-12
引力相互作用 10-40
在這四種效應中物理學家力一,引力和電磁力是最先被人們認識到的,并且了解得比較充分。 現代物理學揭示的弱相互作用和強相互作用定律還需要進一步完善。
盡管四種相互作用之間存在巨大差異,物理學家仍努力統一這些力。 近年來,在弱效應和電磁效應的統一方面取得了成功。 實驗證明,正如電和磁是電磁效應的兩種不同表現一樣,弱效應和電磁效應無非是統一的弱電相互作用。 只是兩種不同的表現。 弱電統一的實現,推動了強電弱電三種功能統一的研究。
(摘自《全日制普通高中教師教學用書(必修)物理第一卷》第18頁,人民教育出版社2003年6月第一版,有改動