自然界中的4种基本力是什么？它们各有什么特点？

力是两个物体之间的相互作用。自然界中一共有4种基本力，分别是引力、电磁力、强力和弱力。希望通过这篇文章能让大家了解一下自然界中的4种基本作用力.

引力

引力的作用效果主要表现在宇观尺度，为什么说，它与我们的日常生活紧密相连呢？潮汐涨落虽然与地球和月球的引力有关，但似乎并不重要啊。

那是因为，如果没有引力，宇宙间的星系、恒星等都会不复存在，没有太阳还会有地球吗？没有地球的引力拉扯束缚着我们，我们将会因失重而飘浮起来，地球上也不会有大气和海洋。没有引力，月球将不会绕着地球转，地球也不会绕着太阳转，宇宙将会乱套。

引力是什么？引力是如何产生的？引力有哪些性质？别着急，下面咱们来接着介绍。

拥有质量的物体之间存在相互吸引靠近的趋势，这就是引力。按照广义相对论的解释，引力来源于物体自身质量对于时空的弯曲，质量越大的物体对时空弯曲的程度越强。量子力学则认为引力是粒子之间交换引力子而产生的，目前该观点还属于猜想。

引力的作用是相互的，地球对人有吸引力，人同样对地球也有吸引力。物体的质量可以衡量该物体的引力大小，也就是对时空的弯曲能力。引力是4种基本力中作用效果最弱的一种力，两个质子间的引力仅相当于两者间电磁力强度的10^36分之一。

牛顿很早就发现了万有引力的秘密，并提出了万有引力定律。引力属于长程力，力的作用效果随着物体间距离的增加而逐渐变弱，遵守平方反比律，即F=G（Mm/r^2）（G为万有引力常量）。

引力支配着宇宙间天体的运动及演化，不管是星系的形成，还是恒星的形成，无一不是引力的功劳。黑洞则是引力的代表作，时空被极度扭曲，以至于连光也逃逸不出来。

电磁力

下面咱们来接着介绍电磁力。说到电磁力，很多人可能脑子中第一印象就是电动机、发电机之类的，总之就是与电流、磁铁等有关。

先不管这些，且听我慢慢道来。电磁力和引力一样，都是属于长程力。电磁力的强度是引力的很多很多倍，居于4种基本力的第二位。电磁力的作用效果主要表现在宏观尺度。

电和磁原来是分开的，后经麦克斯韦的努力，才最终完成统一。麦克斯韦方程组是由4个偏微分方程组成的，描述了电与磁之间的相互关系。

说到电磁力就必须要说到电荷，电磁力来源于电荷。电荷分为正电荷与负电荷，基本性质为：同性相斥、异性相吸。在基本粒子中，夸克携带着分数电荷，电子携带着单位电荷。由夸克构成的质子携带一个单位的正电荷，中子表现为电中性。原子由质子、中子和电子构成，由于正负电荷的相互抵消，原子表现为电中性。

静止的电荷周围存在静电场，运动的电荷又能够产生磁场，两者本质上是一样的，统称为电磁场。电磁力就是由电磁场来传递的。在量子场论中，认为电磁相互作用是由光子进行传递的。

像我们中学物理学的摩擦力、弹力等，本质上都属于电磁力。化学反应过程中释放的能量本质上属于电磁能。电磁力随距离减小的规律与万有引力相似。真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力遵守库仑定律，即F=K（Qq/r^2）（K为静电力常量）。

宇宙间的化合物，不管是氧气还是水，都是由原子结合而成的，而作用力就是电磁力。如果没有电磁力，世界将会变得很混沌，地球上也就不会诞生生命了，更进化不出人类。

电磁运动规律的发现，使人类进入了飞速发展的时代，为人类进入信息时代奠定了基础。无论是电力的广泛应用，还是无线电通信技术的发明，都依赖于这些伟大科学家的发现。

弱力

弱力是4种基本力中第三强的力，比电磁力要弱很多，强度约相当于电磁力的十亿分之一。弱力的作用距离比强力短，作用范围大约在10^-18米之内，是4种基本力中作用距离最短的力。

（四种基本力的强度及其作用范围）

弱力只作用于夸克、电子、中微子等费米子，而对光子、胶子等玻色子不起作用。根据量子场论的解释，费米子之间依靠交换W+、W-、Z三种玻色子来进行弱相互作用的传递。

那费米子与玻色子是什么？

简单来说，费米子为服从费米-狄拉克统计、自旋（在量子力学中，粒子的自旋是由粒子的内禀角动量引起的内禀运动，这与经典力学中的自转概念并不一样，大家了解一下就行了）为半奇数的一类粒子（例如夸克和电子的自旋都为1/2），它们遵守泡利不相容原理（即不能有两个以上的粒子出现在相同的量子态中）；玻色子为服从玻色-爱因斯坦统计、自旋为整数的一类粒子（例如光子、胶子的自旋为1），虽不遵守泡利不相容原理，但在超低温状态时可发生玻色-爱因斯坦凝聚。自然界中的一切都是由费米子构建起来的，而玻色子则只负责传递相互作用。

（基本粒子中的费米子与玻色子）

弱力与原子的衰变有关。大家也许知道，自然界中存在许多放射性元素，比如铀。像铀这种不稳定的重元素，其原子核会自发的发生放射性衰变，不稳定的重元素会转变为稳定的轻元素。

（铀的衰变过程）

什么是元素的放射性衰变？

放射性衰变是不稳定原子核自发地放出射线或粒子而转变为另一种原子核的过程，整个过程中原子核会逐渐变小，主要包括α衰变（从原子核射出α粒子）、β衰变（从原子核射出正电子或负电子）和γ衰变（从原子核辐射出伽马射线）等形式。一些元素的原子核会连续发生多次哀变，直至产生稳定原子核。放射性同位素的半衰期长短差异极大，短的不到一秒，长的可达上亿年。半衰期愈短的同位素，放射性也就愈强。

强力

强力是强子之间相互作用的一种力，后来科学家发现强子由更基础的夸克组成。强力不仅名字上有个“强”，其本身的作用强度也是4种基本力中最强的，大约是电磁力的137倍。强力的作用范围大约在10^-15米。

强力的产生与电磁力有点类似，带有电荷的粒子存在电磁力，而夸克带有色荷，强力就是带有色荷的夸克之间所具有的相互作用，色禁闭现象也正是产生于此。强力通过交换胶子（胶子也具有色荷）而传递相互作用。在低能量状态下，介子（介子也是强子）也充当着强力的媒介粒子。

（胶子在夸克间传递强力）

与弱力相似，强力也会引起粒子衰变（粒子衰变是一个基本粒子转变为其它基本粒子的自发过程，与放射性衰变不同）。强衰变粒子的平均寿命极短，在10^-20～10^-24秒左右，这类粒子我们将其称之为共振态粒子，它们也是由夸克构成的。通过粒子碰撞试验，科学家们发现了许多共振态粒子。

（中子衰变为质子的费曼图）

上过初中的都知道，原子核中的质子带一个单位正电荷，同性相斥的道理大家也都懂，质子和中子正是在强力的作用下克服库仑斥力而强行粘合在一起的，核反应与核能都与强相互作用息息相关。

总结

科学家们一直希望能够建立大统一理论，在统一的框架下，描述这4种基本力。麦克斯韦统一了电力与磁力，更进一步，电磁力和弱力也得到了统一，并且电弱统一理论得到了非常严格的实验检验。目前强力还没有很好的融入，引力更是一块难啃的骨头。

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