摘要：力是物理学中的一个基本概念，在我们的日常生活中起着至关重要的作用。它负责物体的运动和行为，机器的功能，甚至是我们宇宙的结构。不同类型的力对不同物体的作用不同，这取决于物体的质量和施加力的方向。

用适当的力量推一下，孩子就能在操场上荡得很高。

什么是力呢？

力是物理学中的一个基本概念，在我们的日常生活中起着至关重要的作用。它负责物体的运动和行为，机器的功能，甚至是我们宇宙的结构。不同类型的力对不同物体的作用不同，这取决于物体的质量和施加力的方向。

让我们来看看力，每个基本力的作用，它是如何被发现的，以及它与其他力的关系。

什么是力？

力是改变物体运动状态或使物体变形的推或拉。它是两个对象之间相互作用的结果。作用在一个物体上的合力是所有单独作用于它的力的综合结果，决定了它的整体运动。

牛顿将力定义为任何使物体加速的东西：F = ma，其中F是力，m是质量，a是加速度。

接触力和非接触力

根据力的来源和相互作用的方式，力可以分为不同的类型。有两种主要类型：接触力和非接触力。

接触力是当两个物体直接物理接触时产生的力，例如，你推墙。摩擦力、法向力、张力和施加力都属于接触力。

非接触是指在没有直接物理接触的情况下施加的力，比如引力，它使我们保持在地球上，并控制着天体的运动。电磁力也属于非接触力。

力的作用

外力是决定物体运动、加速度和方向的重要因素。力的一些常见影响包括：

·运动变化：力可以使物体开始移动、加速、减速或改变方向。例如，当你推一辆车时，你施加力使它移动。

·张力：力可以在绳索或电缆等材料中产生张力，防止它们在受到负载时断裂。

·摩擦力：摩擦力是反对两个接触表面的相对运动或这种运动趋势的力。当不再施加力时，它会导致物体停止。

大自然的四种力量

熟悉的重力把你拉到座位上，朝向地球的中心。你感觉它是你的重量。

你怎么不从座位上掉下去？另一种力，电磁力，把你座位上的原子聚集在一起，防止你的原子侵入你座位上的原子。你的电脑显示器中的电磁相互作用也负责产生光，让你可以阅读屏幕。

重力和电磁力只是自然界四种基本力中的两种，特别是你每天都能观察到的两种。另外两个是什么？如果你看不见它们，它们对你有什么影响？

剩下的两种力在原子水平上起作用，尽管我们是由原子构成的，但我们从来没有感觉到。强大的力使原子核凝聚在一起。最后，弱力是放射性衰变的原因，特别是原子核内的中子变成一个质子和一个电子，从原子核中射出的衰变。

如果没有这些基本的力量，你和宇宙中的所有其他物质都会分崩离析，漂浮而去。

重力会让你失望吗？

你意识到的第一种力可能是重力。作为一个蹒跚学步的孩子，你必须学会站起来对抗它并走路。当你绊倒时，你会立刻感觉到重力把你拉回地面。

除了给蹒跚学步的孩子带来麻烦外，引力还使月球、行星、太阳、恒星和星系在宇宙中各自的轨道上聚集在一起。它可以在极远的距离上工作，并且具有无限的范围。

牛顿的引力概念

艾萨克·牛顿将引力设想为任何两个物体之间的引力，引力与它们的质量成正比，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，把机器人探测器送到太阳系的外围。

从1687年到20世纪初，牛顿关于引力是任何两个物体之间的“拔河”的观点主导了物理学。

但有一个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（也被称为进动）。自19世纪中期以来，这一观测结果一直令天文学家感到沮丧。

爱因斯坦的相对进步

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦意识到牛顿的运动和万有引力定律不适用于高重力或高速物体，比如光速。在他的广义相对论中，阿尔伯特·爱因斯坦设想重力是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皮板的中间。球在薄片上形成一个凹陷（重力井或重力场）。如果你把一个弹珠滚向球，它会掉入凹处（被球吸引），甚至可能在球击中之前绕着球转（轨道）。

根据弹珠的速度，它可能会逃离凹处并传球，但凹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，并表明牛顿的想法是相对论的一个特例，特别是适用于弱引力和低速的情况。

当考虑到大质量物体（地球、恒星、星系）时，引力似乎是最强大的力量。然而，当你把重力应用到原子水平时，它几乎没有影响，因为亚原子粒子的质量是如此之小。在这个级别上，它实际上被降级为最弱的力。

与电磁学保持在一起

如果你多次梳头发，你的头发可能会竖立起来，被梳子吸引。为什么?电刷的运动给每根头发带来电荷，而带相同电荷的单个头发相互排斥。

同样地，如果你把两个条形磁铁的相同极点放在同一个方向，它们会互相排斥。

但是把它们放在相反的方向，磁铁的两极彼此靠近，磁铁就会相互吸引。这些都是我们熟悉的电磁力的例子；异性相吸，同性相斥。

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。

·1785年，著名的法国物理学家查尔斯·库仑描述了带电物体的力与电荷的大小成正比，与它们之间距离的平方成反比。和重力一样，电磁学也有无限的范围。

·1819年，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特发现电和磁非常相关，这使他宣布电流产生磁力。

·1839年，英国出生的物理学家和化学家迈克尔·法拉第对电磁学进行了研究，证明了磁性可以发电。

·19世纪60年代，苏格兰数学和物理奇才詹姆斯·克拉克·麦克斯韦推导出了描述电和磁之间关系的方程式。

·最后，荷兰人亨德里克·洛伦兹在1892年计算出了电磁场中作用于带电粒子的合力。

当科学家在20世纪初弄清楚原子的结构时，他们了解到亚原子粒子相互之间施加电磁力。

例如，带正电的质子可以将带负电的电子固定在原子核周围的轨道上。此外，一个原子的电子吸引邻近原子的质子，形成剩余电磁力，防止你从椅子上掉下来。

进入量子电动力学

但是电磁是如何在大世界的无限范围和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播电磁力。但他们必须设计出理论来调和原子水平上的电磁学，这就导致了量子电动力学（QED）领域的出现。

根据量子力学，光子在宏观和微观上都传递电磁力；然而，亚原子粒子在它们的电磁相互作用中不断地交换虚光子。

但电磁学无法解释原子核是如何结合在一起的。这就是核力量发挥作用的地方。

愿核力量与你同在

任何原子的原子核都是由带正电的质子和中性中子组成的。电磁学告诉我们，质子应该相互排斥，原子核应该分开。我们还知道，引力在亚原子尺度上不起作用，所以原子核内一定存在着比引力和电磁力更强的其他力。

此外，由于我们不像每天都能感受到重力和电磁力那样感受到这种力，所以它必须在很短的距离内起作用，比如在原子的尺度上。

把原子核结合在一起的力叫做强作用力，也可以称为强核力或强核相互作用。1935年，汤川秀树建立了这种力的模型，并提出质子之间以及质子与中子之间相互作用，交换一种叫做介子的粒子——后来被称为介子——来传递这种强作用力。

在20世纪50年代，物理学家建造了粒子加速器来探索原子核的结构。当他们以高速撞击原子时，他们发现了汤川所预测的介子。他们还发现质子和中子是由更小的粒子——夸克构成的。

所以强作用力将夸克聚集在一起，而夸克又将原子核聚集在一起。

放射性衰变

必须解释另一种核现象：放射性衰变。在发射过程中，中子衰变成质子、反中微子和电子（粒子）。电子和反中微子从原子核中射出。

导致这种衰变和发射的力一定不同于强作用力，而且弱于强作用力，因此它的名字很不幸——弱作用力或弱核力或弱核相互作用。

随着夸克的发现，弱力通过被称为W和Z玻色子（发现于1983年）的粒子交换，负责将一种类型的夸克转变为另一种类型。最终，弱作用力使太阳和恒星中的核聚变成为可能，因为它允许氢同位素氘的形成和聚变。

现在你已经知道了四种力的名字——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。

比较基本力

从QED和量子色动力学（QCD，描述亚原子粒子和核力之间相互作用的物理学领域）的领域来看，我们看到许多力是通过交换称为规范粒子或规范玻色子的粒子的物体传递的。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。如果一个溜冰者把球扔给另一个溜冰者，溜冰者就会离对方更远。力以类似的方式起作用。

物理学家已经分离出大多数力的规范粒子。

·强作用力使用介子和另一种叫做胶子的粒子。

·弱力使用W和Z玻色子。

·电磁力使用光子。

·重力被认为是由一种叫做引力子的粒子传递的；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、引力）。

因为电磁力和引力可以在像光年这样的大距离上起作用，它们的规范粒子必须能够以光速运动，对于引力子来说可能更快。

物理学家不知道引力是如何传播的。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速运动，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，物理学家已经确定光子没有质量。

哪一种力量是最强大的？那就是强核力。然而，它只在很短的范围内起作用，大约是原子核的大小。弱核力的强度是强核力的百万分之一，范围更短，小于一个质子的直径。

电磁力的强度约为强核力的0.7%，但由于携带电磁力的光子以光速传播，电磁力的范围是无限的。最后，重力是最弱的力，大约是强核力的6 × 10-29倍。然而，引力的范围是无限的。

物理学家目前正在研究这样一种观点，即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。这种想法并非没有先例。我们曾经认为电和磁是两个独立的实体，但是奥斯特、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。

统一基本力

科学从不停歇，所以关于基本力的工作远未完成。下一个挑战是建立一个四种力的大统一理论，这是一项特别艰巨的任务，因为科学家们一直在努力调和引力理论和量子力学理论。

这就是粒子加速器的用处所在，它可以引发更高能量的碰撞。

1963年，物理学家谢尔登·格拉肖、阿卜杜勒·萨拉姆和史蒂夫·温伯格提出，弱核力和电磁力可能以更高的能量结合在一起，形成所谓的电弱力。他们预测这将发生在大约100千兆电子伏特（100GeV）的能量或1015k的温度下，这发生在大爆炸后不久。

1983年，物理学家在粒子加速器中达到了这些温度，并证明了电磁力和弱核力是相关的。

理论预测，在能量大于1015 GeV时，强力将与电弱力结合，而在能量大于1019 GeV时，所有的力都可能结合。这些能量接近大爆炸初期的温度。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位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。

如果物理学家能够证明，当宇宙从大爆炸中冷却下来时，四种基本力确实来自一种统一的力，这是否会改变你的日常生活？可能不会。然而，它将促进我们对力的本质，以及宇宙的起源和命运的理解。

来源：julie20098