四种基本相互作用

　　基本相互作用(fundamental interaction)，决定物质的结构和变化过程的基本的相互作用。近代物理确认各种物质之间的基本的相互作用可归结为4种：引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。近代物理的观点倾向于认为4种基本相互作用是统一的，物理学家正在为建立大统一理论、超统一理论而努力。四种基本相互作用力同样也是宇宙自然界星系星云物质，凝聚在一起的一种核能势力能效，发现四种基本相互作用力，有效的结合在一起是物理学家探索粒子量子化的主要目的之一。

　　最早认识到的质子、中子间的核力属于强相互作用，是质子、中子结合成原子核的作用力，后来进一步认识到强子是由夸克组成的，强作用是夸克之间的相互作用力。强作用最强，也是一种短程力。其理论是量子色动力学，强作用是一种色相互作用，具有色荷的夸克所具有的相互作用，色荷通过交换8种胶子而相互作用，在能量不是非常高的情况下，强相互作用的媒介粒子是介子。强作用具有最强的对称性，遵从的守恒定律最多。强作用引起的粒子衰变称为强衰变，强衰变粒子的平均寿命最短，为10^-20～10^-24s，强衰变粒子称为不稳定粒子或共振态。强相互作用是作用于强子之间的力，是所知四种宇宙间基本作用力最强的，也是作用距离第二短的(大约在10^[-15]m范围内，比弱交互作用的范围大)。核子间的核力就是强相互作用，它抵抗了质子之间的强大的电磁力，维持了原子核的稳定。现在物理学家认为强相互作用的产生与夸克、胶子有关。强相互作用比其他三种基本作用有更大的对称性，也就是说，在强相互作用中有更多的守恒定律。强相互作用不像引力和电磁相互作用那样是长程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程长，约为10^[-15]m。大约等于原子核中核子间的距离。

　　对强相互作用本质的了解长期以来是物理学中的难题。人们曾经提出过许多强相互作用的理论，它们取得的成就都很有限。原因之一是理论中没有小参量，因而找不到可靠的近似方法。人们由强子的夸克模型和规范场的概念出发提出量子色动力学。在这个理论中，强相互作用是组成强子的夸克之间通过一些称为胶子的规范粒子场传递的作用，这个理论有在小距离处作用变弱的性质，它被认为是有希望的强相互作用基本理论。

　　最早观察到的原子核的β衰变是弱作用现象。弱作用仅在微观尺度上起作用，其力程最短，其强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位。其对称性较差，许多在强作用和电磁作用下的守恒定律都遭到破坏(见对称性和守恒定律)，例如宇称守恒在弱作用下不成立。弱作用的理论是电弱统一理论，弱作用通过交换中间玻色子(W 及 Z 玻色子)而传递。弱作用引起的粒子衰变称为弱衰变，弱衰变粒子的平均寿命大于10^-13s。最早观察到的原子核的β衰变是弱相互作用现象，凡是涉及中微子的反应都是弱相互作用过程。弱相互作用仅在微观尺度上起作用，其力程最短(大约在10^-18m范围内，比强交互作用的范围小)。由于弱相互作用比强相互作用和电磁相互作用的强度都弱，故有此名。有两种弱相互作用，一种是有轻子(电子e，中微子ν，μ子以及它们的反粒子)参与的反应，如β衰变，μ子的衰变以及π介子的衰变等;另一种是Κ介子和∧超子的衰变。

　　弱相互作用的一个特点是对称性低。在弱相互作用中，空间反射、电荷共轭和时间反演的对称性都被破坏;同位旋、奇异数、粲数、底数等在强作用下守恒的量子数都不守恒。

　　弱相互作用与电磁相互作用虽然很不相同，却又有相似之处。弱相互作用流与电流一样是守恒的，它们之间还有以对称性相联系的关系。在60年代末提出了弱作用和电磁作用统一的规范理论。标准的弱电统一规范模型与所有低能的弱作用实验结果一致。理论中预言的中间玻色子也已于1983年发现。

　　带电物体或具有磁矩物体之间的相互作用，是一种长程力，力程为无穷。宏观的摩擦力、弹性力以及各种化学作用实质上都是电磁相互作用的表现。其强度仅次于强相互作用，居四种基本相互作用的第二位。电磁作用研究得最清楚，其规律总结在麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式中，更为精确的理论是量子电动力学。量子电动力学是物理学的精确理论，按照量子电动力学，电磁相互作用是通过交换电磁场的量子(光子)而传递的，它能够很好地说明正反粒子的产生和湮没，电子、μ子的反常磁矩(见粒子磁矩)与兰姆移位等真空极化引起的细微电磁效应，理论计算与实验符合得非常好。电磁相互作用引起的粒子衰变称为电磁衰变。最早观察到的原子核的γ跃迁就是电磁衰变，其他还有如π0→γ+γ等。电磁衰变粒子的平均寿命为 10^-16～10^-20秒(s)。