​基本相互作用

从最基本的层面上看，自然界存在四种基本的相互作用，它们分别是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。

在讨论动量的问题时，我们通过动量的变化率引入了力的概念。从相互作用的视角去看，力是量度相互作用强度的基本物理量。相互作用是宇宙中最基本最普遍的现象，它们有各种不同的形式，所起的作用也各不同。从最基本的层面上看，自然界存在四种基本的相互作用，它们分别是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用，每一种相互作用都有一种与之关联的力。与强相互作用相关联的力叫做强力，它是把原子核内的质子和中子结合在一起的力，也是质子和中子内部结构夸克之间的力；弱相互作用是原子核发生 衰变的主导因素，与之相关联的力叫做弱力；带电粒子之间存在电磁相互作用，与之相关联的力叫做电磁力；任何有质量的物体之间都存在引力相互作用，与之相关联的力叫做万有引力。强相互作用和弱相互作用是主宰微观世界的两种重要的相互作用，但是，它们只在原子核以下的距离上起作用，是短程相互作用，与之相关联的力是短程力。在宏观世界中观测不到强相互作用和弱相互作用的作用效果，感受不到与之相关联的力。在宏观世界中，我们只能观测到与电磁相互作用和引力相互作用相关联的力，它们的作用范围可以延伸到无穷远，是长程力，也是主宰宏观世界的两种重要的相互作用力。在我们的日常工作中遇到的各种力，从最基本的层面看，除了重力属于万有引力之外，都是原子或分子之间电磁相互作用的宏观表现，属于电磁相互作用力。任何两个质量不为零的物体间都存在相互作用力，这个力被称为万有引力。万有引力的运作方式是牛顿在研究天体的运动规律时总结出来的：宇宙中任何两个粒子之间都存在一种相互吸引力，这种力沿着两个粒子之间的连线，数值上正比于这两个粒子的质量的乘积，反比于它们之间的距离的平方。我们今天把这个规律称为万有引力定律，它可以用一个数学公式表示：其中引力常数 是一个反映万有引力强度的物理常数。公式中的单位矢量 从施力粒子指向受力粒子，当然，所谓施力粒子或受力粒子是相对而言的。

从概念上讲，这里出现的质量与在牛顿运动定律中出现的惯性质量不同，被称为引力质量，它反映一个物体吸引其他物体或者被其他物体吸引的能力。不过，精密的实验结果表明，一个物体的惯性质量与它的引力质量相等，因此，在实用上可以将它们当作同一个量来看待。爱因斯坦正是在这个实验事实的基础上建立了广义相对论，这是一个比牛顿的万有引力理论适用范围更广的理论，万有引力理论是广义相对论在弱引力条件下的近似。实验表明，两个带电粒子之间也有相互作用力。库伦通过实验给出了这种力的运作方式：在真空中，任意两个静止的带电粒子之间存在着静电相互作用力，这种力沿着两个粒子之间的连线，数值上正比于这两个带电粒子所带电量的乘积，反比于它们之间的距离的平方。这个规律被称为库伦定律，它的数学表达式是：其中  是反映静电力强度的物理常数。由于带电体存在两种不同的电荷，因此，用正号和负号来区分它们。按照电荷的这种表示方法，库伦定律的上述数学表达式反映了这样的事实：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。

我们看到，万有引力和库伦力有一个共同的特点，两个物体之间的力与它们之间的距离的平方成反比。万有引力和库伦力是自然界中四种基本相互作用力中的两种，它们主宰着宇宙间最重要的物理过程。现代物理学的研究成果表明，如果它们不是严格地与距离的平方成反比，我们的宇宙就不会是现在这个样子。也许，我们的宇宙演化得很慢，直到今天还未演化出星球，从而我们也就不会存在；也许，它演化得很快，还未来得及出现生命，就已经寿终正寝。这两种力对距离的依赖关系一直是人们感兴趣的问题，然而，直到最近，实验还未曾显示出它们对平方反比率的偏离。假定这两种力对距离的依赖关系中的指数为 ，现代高能物理学在小到 的尺度上证实，。