基本力

物理学术语

尽管力的种类多种多样，但是近代科学已经证明，自然界中只存在四种基本的力（或称相互作用）其他的力都是这四种力的不同表现。这四种力是：引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力。

组成及特征

生活中我们能够察觉到如海水对船的浮力，胶水的黏结力，磁铁之间的吸力或斥力等。除了这些宏观世界我们能够察觉到的力以外，在微观世界中也存在着这样或那样的力。例如分子或原子之间的引力或斥力，原子内的电子和核之间的引力，核内粒子和粒子之间的斥力和引力等。尽管力的种类如此复杂，但近代科学已经证明，自然界只存在4种基本的力（或称相互作用），其他的力都是这4种力的不同表现，这4种力是引力、电磁力、强力、弱力。

一、引力

引力指存在于任何两个物质质点之间的吸引力。它的规律首先由牛顿发现，称之为引力定律，这个定律说：任何两个质点都相互吸引，这引力的大小与它们的质量的乘积成正比，和它们的距离的平方成反比。

引力大小的数学表示式为：

其中和分别表示两个质点的质量；表示它们的距离；为引力常量，在国际单位制中它的值为

二、电磁力

电磁力指带电的粒子或带电的宏观物体间的作用力。两个静止的带电粒子之间的作用力由一个类似于引力定律的库仑定律支配着。库仑定律说：真空中两个静止的点电荷相斥或相吸，这斥力或吸力的大小与两个点电荷的电量和的乘积成正比，而与两电荷的距离的平方成反比。

电磁力大小的数学表示式为：

其中和分别表示两个点电荷的电量；表示它们的距离；为比例系数，在国际单位制中它的值为

电磁力比引力大得多，例如两个相邻质子之间的电力可达到，是它们之间的万有引力的倍。

电力和磁力统称电磁力：运动的电荷相互间除了有电力作用外，还有磁力的相互作用，电荷之间的电磁力是以光子作为传递媒介的。磁力实际上是电力的一种表现，电场和磁场之间的关系可由麦克斯韦方程组来表示。

相互接触的物体之间的弹力、摩擦力、流体阻力、表面张力以及气体压力、浮力、黏结力等都是相互靠近的原子或分子之间的作用力的宏观表现，因而从本质上说也是电磁力。

三、强力

我们知道，在绝大多数原子核内有不止一个质子。质子间的电磁力是排斥力，但事实上核的各个部分并没有自动飞离，这说明在质子之间还存在一种比电磁力还要强的自然力，正是这种力把原子核内的质子及中子紧紧地束缚在一起。这种存在于质子、中子、介子等强子之间的作用力称为强力。

强力是夸克所带的“色荷”之间的作用力——色力——的表现，色力是以胶子作为传递媒介的。

强力的力程

强子之间的距离超过约10-15m时，强力就可以变得很小而忽略不计；小于10-15m时，强力占主要的支配地位，而且直到距离减小到大约0.4×10-15m时它都表现为吸引力，距离再减小，则强力就表现为斥力。

四、弱力

弱力也是各种粒子之间的一种相互作用，但仅在粒子间的某些反应（如β衰变）中才显示出它的重要性。弱力是以W+,W-,Z0等叫做中间玻色子的粒子作为传递媒介的。它的力程比强力还要短，而且力很弱。两个相邻的质子之间的弱力大约仅有10-2N。

弱电统一理论

20世纪60年代，格拉肖、温伯格和萨拉姆在普适弱相互作用理论的基础上，透过电磁作用和弱作用表观形态的差异性（如它们的强弱、力程、作用时间分别都不相同），洞察其内在实质的同一性（如它们都是普适性、矢量型相互作用，都呈现为流的形式——电磁作用呈现电磁流、弱作用呈现弱流）。根据杨振宁—米尔斯规范场理论，先后独立提出电磁作用和弱作用具有统一性的思想，建立弱电统一理论。

电磁作用是宇称守恒的，弱作用是宇称不守恒的。能同时容纳它们的是SU(2)×U(1)群，该群有4个生成元，3个是SU(2)的，1个是U(1)的。这四个生成元共对应轻子和夸克所带有的四种弱荷及其生成的四种基本规范场。自然界中存在一种被称为希格斯场的标量场。上述四种基本规范场在同希格斯场的相互作用中两两重新组合。

和组合成两种带电的中间矢量玻色子场和，它们和带电粒子构成的弱带电流相耦合；和组合成电磁场和弱中性场即中性中间矢量玻色子场，它们和弱带电流以及由中性粒子构成的弱中性流相耦合。电磁场、带电中间玻色子场和弱中性场的量子，依次是可观察的传递电磁相互作用的光子γ、传递弱相互作用的带电中间玻色子、和中性中间玻色子。

场的能量最低的状态称为基态，所有在一定范围的空间中互相重叠的场都处于基态时，对应于该空间范围的物理真空，它不表现任何释放能量的物理效应。1964年，英国物理学家希格斯在量子场论中引入真空对称性自发破缺的概念：希格斯场的场量为零时，其能量并不最小；场量取某一不为零的量值时，场能最小。在一切场的总能量都达到最小的物理真空态上，希格斯场的场量的真空期望值在某些方向上不为零，物理真空偏离了一切场的场量为零的状态，从而不再具有SU(2)×U(1)定域规范变换下的不变性，即不再保持SU(2)×U(1)对称性，这种现象称为真空对称性自发破缺。

希格斯场的场量子是自旋量子数为零的标量粒子，其中具有静质量的粒子称为希格斯粒子；没有静质量的粒子称为高德斯通粒子。传递弱相互作用的中间玻色子和，在真空对称性自发破缺下与处于基态但场量真空平均值不为零的希格斯场发生相互作用。希格斯场的高德斯通粒子的波函数，转换成弱场和的纵向分量，相当于、和吸收了高德斯通粒子及其运动质量，从而获得很大的静质量。

因为相互作用的力程和传递相互作用的规范粒子的质量成反比；并且该规范粒子的质量越大，它所传递的作用越弱。故弱作用成为短程作用，有效强度也大大降低。因为电磁作用对应的U(1)规范对称性没有真空自发破缺现象，所以不存在与电磁场相互作用的希格斯场，电磁场的量子—光子无从获得静质量。电磁作用仍保持长程性和较大强度。

标准模型

标准模型是描述强力、弱力及电磁力这3种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。标准模型根据自旋将粒子分为费米子（包括夸克与轻子）和玻色子（包括胶子、光子、W粒子、Z粒子、希格斯粒子）两大类，根据标准模型的预言，这两大类粒子共有61个。除了希格斯粒子外，其他粒子均已得到实验数据的支持和验证。

希格斯粒子是标准模型中最后一种待被发现的粒子，自旋为零，具有质量，不带电荷，非常不稳定。希格斯玻色子提出于1964年其动机是为了在非阿贝尔规范理论中通过对称性自发破缺自恰地赋予其他基本粒子以质量。它是粒子标准模型长期缺失验证的关键一环。

在粒子物理标准模型中，中微子是无质量的基本粒子。日本物理学家梶田隆章和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳因发现中微子振荡现象，证明中微子有质量。2001和2002年，加拿大萨德伯里中微子观测站(SNO)两次发表实验结果，证实太阳中微子振荡。这两个发现打开了微观世界新物理的大门，对宇宙和天体的起源与演化也有重大影响。

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