自然界中的4種基本力是什麼?它們各有什麼特點

2021-03-06 01:31:16 字數 3222 閱讀 6281

1樓:科學探索菌

力是兩個物體之間的相互作用。自然界中一共有4種基本力,分別是引力、電磁力、強力和弱力。希望通過這篇文章能讓大家瞭解一下自然界中的4種基本作用力。

引力的作用效果主要表現在宇觀尺度,為什麼說,它與我們的日常生活緊密相連呢?潮汐漲落雖然與地球和月球的引力有關,但似乎並不重要啊。

那是因為,如果沒有引力,宇宙間的星系、恆星等都會不復存在,沒有太陽還會有地球嗎?沒有地球的引力拉扯束縛著我們,我們將會因失重而飄浮起來,地球上也不會有大氣和海洋。沒有引力,月球將不會繞著地球轉,地球也不會繞著太陽轉,宇宙將會亂套。

引力是什麼?引力是如何產生的?引力有哪些性質?彆著急,下面咱們來接著介紹。

擁有質量的物體之間存在相互吸引靠近的趨勢,這就是引力。按照廣義相對論的解釋,引力**於物體自身質量對於時空的彎曲,質量越大的物體對時空彎曲的程度越強。量子力學則認為引力是粒子之間交換引力子而產生的,目前該觀點還屬於猜想。

引力的作用是相互的,地球對人有吸引力,人同樣對地球也有吸引力。物體的質量可以衡量該物體的引力大小,也就是對時空的彎曲能力。引力是4種基本力中作用效果最弱的一種力,兩個質子間的引力僅相當於兩者間電磁力強度的10^36分之一。

牛頓很早就發現了萬有引力的祕密,並提出了萬有引力定律。引力屬於長程力,力的作用效果隨著物體間距離的增加而逐漸變弱,遵守平方反比律,即f=g(mm/r^2)(g為萬有引力常量)。

引力支配著宇宙間天體的運動及演化,不管是星系的形成,還是恆星的形成,無一不是引力的功勞。黑洞則是引力的代表作,時空被極度扭曲,以至於連光也逃逸不出來。

下面咱們來接著介紹電磁力。說到電磁力,很多人可能腦子中第一印象就是電動機、發電機之類的,總之就是與電流、磁鐵等有關。

先不管這些,且聽我慢慢道來。電磁力和引力一樣,都是屬於長程力。電磁力的強度是引力的很多很多倍,居於4種基本力的第二位。電磁力的作用效果主要表現在巨集觀尺度。

電和磁原來是分開的,後經麥克斯韋的努力,才最終完成統一。麥克斯韋方程組是由4個偏微分方程組成的,描述了電與磁之間的相互關係。

說到電磁力就必須要說到電荷,電磁力**於電荷。電荷分為正電荷與負電荷,基本性質為:同性相斥、異性相吸。

在基本粒子中,夸克攜帶著分數電荷,電子攜帶著單位電荷。由夸克構成的質子攜帶一個單位的正電荷,中子表現為電中性。原子由質子、中子和電子構成,由於正負電荷的相互抵消,原子表現為電中性。

靜止的電荷周圍存在靜電場,運動的電荷又能夠產生磁場,兩者本質上是一樣的,統稱為電磁場。電磁力就是由電磁場來傳遞的。在量子場論中,認為電磁相互作用是由光子進行傳遞的。

宇宙間的化合物,不管是氧氣還是水,都是由原子結合而成的,而作用力就是電磁力。如果沒有電磁力,世界將會變得很混沌,地球上也就不會誕生生命了,更進化不出人類。

電磁運動規律的發現,使人類進入了飛速發展的時代,為人類進入資訊時代奠定了基礎。無論是電力的廣泛應用,還是無線電通訊技術的發明,都依賴於這些偉大科學家的發現。

弱力是4種基本力中第三強的力,比電磁力要弱很多,強度約相當於電磁力的十億分之一。弱力的作用距離比強力短,作用範圍大約在10^-18米之內,是4種基本力中作用距離最短的力。

(四種基本力的強度及其作用範圍)

弱力只作用於夸克、電子、中微子等費米子,而對光子、膠子等玻色子不起作用。根據量子場論的解釋,費米子之間依靠交換w+、w-、z三種玻色子來進行弱相互作用的傳遞。

那費米子與玻色子是什麼?

簡單來說,費米子為服從費米-狄拉克統計、自旋(在量子力學中,粒子的自旋是由粒子的內稟角動量引起的內稟運動,這與經典力學中的自轉概念並不一樣,大家瞭解一下就行了)為半奇數的一類粒子(例如夸克和電子的自旋都為1/2),它們遵守泡利不相容原理(即不能有兩個以上的粒子出現在相同的量子態中);玻色子為服從玻色-愛因斯坦統計、自旋為整數的一類粒子(例如光子、膠子的自旋為1),雖不遵守泡利不相容原理,但在超低溫狀態時可發生玻色-愛因斯坦凝聚。自然界中的一切都是由費米子構建起來的,而玻色子則只負責傳遞相互作用。

(基本粒子中的費米子與玻色子)

弱力與原子的衰變有關。大家也許知道,自然界中存在許多放射性元素,比如鈾。像鈾這種不穩定的重元素,其原子核會自發的發生放射性衰變,不穩定的重元素會轉變為穩定的輕元素。

(鈾的衰變過程)

什麼是元素的放射性衰變?

放射性衰變是不穩定原子核自發地放出射線或粒子而轉變為另一種原子核的過程,整個過程中原子核會逐漸變小,主要包括α衰變(從原子核射出α粒子)、β衰變(從原子核射出正電子或負電子)和γ衰變(從原子核輻射出伽馬射線)等形式。一些元素的原子核會連續發生多次哀變,直至產生穩定原子核。放射性同位素的半衰期長短差異極大,短的不到一秒,長的可達上億年。

半衰期愈短的同位素,放射性也就愈強。

強力是強子之間相互作用的一種力,後來科學家發現強子由更基礎的夸克組成。強力不僅名字上有個「強」,其本身的作用強度也是4種基本力中最強的,大約是電磁力的137倍。強力的作用範圍大約在10^-15米。

強力的產生與電磁力有點類似,帶有電荷的粒子存在電磁力,而夸克帶有色荷,強力就是帶有色荷的夸克之間所具有的相互作用,色禁閉現象也正是產生於此。強力通過交換膠子(膠子也具有色荷)而傳遞相互作用。在低能量狀態下,介子(介子也是強子)也充當著強力的媒介粒子。

(膠子在夸克間傳遞強力)

與弱力相似,強力也會引起粒子衰變(粒子衰變是一個基本粒子轉變為其它基本粒子的自發過程,與放射性衰變不同)。強衰變粒子的平均壽命極短,在10^-20~10^-24秒左右,這類粒子我們將其稱之為共振態粒子,它們也是由夸克構成的。通過粒子碰撞試驗,科學家們發現了許多共振態粒子。

(中子衰變為質子的費曼圖)

科學家們一直希望能夠建立大統一理論,在統一的框架下,描述這4種基本力。麥克斯韋統一了電力與磁力,更進一步,電磁力和弱力也得到了統一,並且電弱統一理論得到了非常嚴格的實驗檢驗。目前強力還沒有很好的融入,引力更是一塊難啃的骨頭。

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最基本的四種力就是引力、電磁力、強核力、弱核力,引力會使物體之間相互吸引,電磁力會使物體出現相互吸引或者排斥,強核力和弱核力都和電磁力有關。

4樓:卸下偽裝忘勒傷

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