一 粒子间的四类相互作用

（一）电磁相互作用

电磁相互作用是一切带电粒子或具有磁矩粒子间的相互作用，这种作用人们研究得比较透彻（图 4-1）。绝大多数基本粒子都带有电荷，不过有的带正电荷，有的带负电荷，同性电相斥，异性电相吸。有些基本粒子虽然不带电，但是却有磁性，能够激发磁场，它们也参与电磁相互作用。电磁作用是一种长程力，它是以电磁场为媒介来传递的。电磁场由基本粒子光子组成，因此电磁作用实质上是通过带电粒子间的光子交换而实现的。光子的静止质量为零，这就决定了这种相互作用是长程作用，即力程等于无穷大的相互作用。正因为电磁相互作用是长程作用，且随距离的增加而减弱得不快，所以在宏观世界中就可以观察和研究。事实上，在 19 世纪人们就已经在宏观世界中将电磁相互作用研究得相当清楚了，所以电磁相互作用是我们最熟悉的相互作用。

（二）弱相互作用

从中学物理中大家就知道原子核的β衰变，β衰变即放射电子，实质上就是中子衰变为质子、电子及电子中微子的过程（图 4-2）。这种过程是由弱相互作用而引起的，弱作用是一种短程力，寿命在 10 秒及 10 秒以上的不稳定粒子的衰变，即属于这类相互作用。

弱相互作用的媒介粒子是带正电荷和带负电荷的W ⁺ 和W-粒子，以及不带电的Z ⁰ 粒子。这三种粒子都有很重的静止质量，W粒子的质量是质子质量的 85.5倍，Z粒子的质量是质子质量的 97.2 倍，这就决定了弱相互作用是力程很短的短程力，其力程约为千分之二点四费米，即一百亿亿分之二点四米。

（三）强相互作用

使原子核中的质子和中子聚在一起的力叫强相互作用，或称强力（图4-3）。这种作用力很强，比电磁相互作用要强上 100 多倍。只有重子，介子才有强相互作用，所以经常把重子和介子统称为强子。强相互作用的媒介粒子是介子和胶子，最轻的介子是π介子，它的质量是质子质量的 0.149 倍，这就决定了强相互作用也是短程力，其力程比弱相互作用的力程大约 3 个数量级，约为 1.4 费米，即一千万亿分之一点四米。

（四）万有引力

万有引力是一种大家熟知的引力相互作用，它的媒介粒子是迄今尚未发现的“引力子”。万有引力是使太阳和行星形成太阳系的力（图 4-4），它在天体世界中显得十分巨大，可是在基本粒子的世界中，由于粒子的质量都很小，所以与质量成正比的引力就非常小。世界万物皆存在着万有引力作用，基本粒子引力作用的数量级为 10 ^-39 ，比弱作用还小 29 个数量级，所以，在基本粒子领域中通常是可以忽略不计的（表 4-1）。

注：表 4-1 中相互作用强度用有效耦合常数表示

有一首科学诗，说的是“四种力”，诗曰：

宇宙生了四兄弟，

通称四种基本力。

老大力气为最大，

他的名字叫强力，

只是威力范围很微小，

他只作用在强子里，

介子胶子作媒介，

他把质子中子聚一起。

老二名叫电磁力，

人们对他最熟悉，

手机电视应用最广泛，

电磁波传千万里。

弱力排行是老三，

比老大小 11 个数量级，

弱力作用范围也很小，

力程只有千万分之二费米。

老四就是万有引力，

他曾把苹果吸落地，

人们普遍受他控制，

还叫地球绕着太阳飞，

天体世界中他十分巨大，

基本粒子中他忽略不计。

弟兄四个回首望，

是否还会生小弟弟。 4BRqXJE/d7uMh6lU4f2ngqO9gxQ9F++yrsMxVvcnmUHsegDQG749oSVtctGQkt/t