物理学的基本力(或基本相互作用)是单个粒子相互作用的方式。事实证明,在宇宙中观察到的每一种相互作用都可以分解为四种类型的相互作用(通常以后还会有四种):
在基本力中,重力的作用范围最广,但实际大小最弱。
这是一种纯粹的吸引力,它甚至可以通过“空”的空间来吸引两个物体。它使行星绕太阳运行,使月球绕地球运行。
引力是根据广义相对论来描述的,广义相对论将它定义为质量物体周围时空的曲率。这种曲率反过来会造成一种情况,即能量最小的路径朝向另一个质量物体。
电磁学是粒子与电荷的相互作用。静止时的带电粒子通过静电力相互作用,而运动时的带电粒子通过电力和磁力相互作用。
在很长一段时间里,电磁力被认为是不同的力,但最终由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1864年根据麦克斯韦方程组统一了它们。20世纪40年代,量子电动力学将电磁学与量子物理学结合起来。
电磁学也许是我们这个世界上最普遍的力量,因为它可以在一个合理的距离内以相当大的力量影响事物。
弱相互作用是一种非常强大的力,作用在原子核的尺度上。它会导致β衰变等现象。它与电磁学结合成一种称为“电弱相互作用”的单一相互作用。弱相互作用由W玻色子(有两种类型,W+和W-玻色子)和Z玻色子介导。
其中最强大的力是恰当命名的强相互作用,这是一种使核子(质子和中子)结合在一起的力。例如,在氦原子中,它的强度足以使两个质子结合在一起,即使它们的正电荷使它们相互排斥。
本质上,强相互作用首先允许被称为胶子的粒子将夸克结合在一起,从而产生核子。胶子也可以与其他胶子相互作用,这使得强相互作用在理论上有无限的距离,尽管它的主要表现形式都在亚原子水平。
许多物理学家认为,事实上,所有四种基本力都是尚未发现的单一潜在(或统一)力的表现。正如电、磁和弱力被统一到弱电相互作用中一样,它们的作用是统一所有的基本力。
目前对这些力的量子力学解释是,粒子不直接相互作用,而是表现出介导实际相互作用的虚拟粒子。除了重力,所有的力都被整合到这个相互作用的“标准模型”中。
将引力与其他三种基本力统一起来的努力称为量子引力。它假设存在一个称为引力子的虚拟粒子,它将是引力相互作用的中介元素。到目前为止,还没有探测到引力子,也没有成功或普遍采用的量子引力理论。
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