环保工程师基础知识辅导：四种基本力

环保工程师基础知识辅导：四种基本力

强相互作用力将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。一般认为，称为胶子的一种自旋为1的粒子携带强作用力。它只能与自身以及与夸克相互作用。

弱相互作用力（弱核力）制约着放射性现象，并只作用于自旋为1/2的物质粒子，而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用。

电磁力作用于带电荷的粒子（例如电子和夸克）之间，但不和不带电荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力强得多：两个电子之间的电磁力比引力大约大10^42倍。不过，共有两种电荷——正电荷和负电荷，同种电荷之间的力是互相排斥的，而异种电荷则互相吸引。

引力是万有的，也就是说，每一粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有两个特别的性质，我们根本就不可能注意到它。这就是，它会作用到非常大的距离去，并且总是吸引的。

“直到1967年伦敦帝国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格提出了弱作用和电磁作用的统一理论后，弱作用才被很好地理解。此举在物理学界所引起的震动，可与100年前马克斯韦统一了电学和磁学并驾齐驱。温伯格——萨拉姆理论认为，除了光子，还存有其他3个自旋为1的被统称作重矢量玻色子的粒子，它们携带弱力。它们叫W+（W正）、W-（W负）和Z0（Z零），每一个具有大约100吉电子伏的质量（1吉电子伏为10亿电子伏）。上述理论体现了称作自发对称破缺的性质。它表明在低能量下一些看起来完全不同的粒子，事实上仅仅同一类型粒子的不同状态。在高能量下所有这些粒子都有相似的行为。这个效应和轮赌盘上的轮赌球的行为相类似。在高能量下（当这轮子转得很快时），这球的行为基本上只有一个方式——即持续地滚动着；但是当轮子慢下来时，球的能量就减少了，最

终球就陷到轮子上的37个槽中的一个里面去。换言之，在低能下球能

够存有于37个不同的状态。如果因为某种原因，我们只能在低能下观

察球，我们就会认为存有37种不同类型的球！

“在温伯格——萨拉姆理论中，当能量远远超过100吉电子伏时，这三种新粒子和光子的行为方式很相似。但是，大部份正常情况下能

量要比这低，粒子之间的对称就被破坏了。W+、W-和Z0得到了大的质量，使之携带的力变成非常短程。萨拉姆和温伯格提出此理论时，很

少人相信他们，因为还无法将粒子加速到足以达到产生实的W+、W-和

Z0粒子所需的一百吉电子伏的能量。但在此后的十几年里，在低能量

下这个理论的其他预言和实验符合得这样好，以至于他们和也在哈佛

的谢尔登·格拉肖一起被授予1979年的物理诺贝尔奖。格拉肖提出过

一个类似的统一电磁和弱作用的理论。因为1983年在CERN（欧洲核子研究中心）发现了具有被准确预言的质量和其他性质的光子的三个带

质量的伴侣，使得诺贝尔委员会避免了犯错误的难堪。”

以上四种基本力的解释及介绍强力、弱力和电磁力统一理论的文

字均引用自史蒂芬·霍金著《时间简史》一书。