四种基本力还有哪些知识点呢(四种基本力是哪四种)

导语：四种基本力还有哪些知识点

到目前为止，物理学家认为只有四种基本力。这些基本力起作用的基本机制是通过虚拟粒子的交换，而这些虚拟粒子通常是标准模型的规范玻色子。这些规范玻色子是：携带电磁力的光子，负责强力的胶子，以及负责弱力的W和Z玻色子。虽然引力也被理论化为由粒子介导，但尚未观察到引力子的存在。

虚粒子

首先，什么是虚粒子？这些是由海森堡不确定性原理而存在的粒子。不确定性原理的一个版本指出，能量的变化乘以粒子存在的时间大于等于普朗克常数除以4π。但是量子力学的概率定律是这样的，如果粒子的能量乘以时间小于h/4π，则可以存在虚拟粒子，而不是真实粒子。这实质上意味着大自然允许虚拟粒子的短暂存在，由于能量和质量是等价的，自然会通过从真空中借用能量来创造具有质量的粒子。但是由于时间很短，因此它在被检测到之前就被破坏了。它们实际上只是潜在量子场的激发，但仅表现为力，而不是可检测的粒子。

但是，如果它们是检测不到的，那么我们怎么知道它的存在？我们无法检测到单个虚拟粒子，但我们可以检测到许多粒子被创建和破坏而产生的效应。其中一种这样的效应称为卡西米尔效应，当板外的虚拟粒子的压力高于板之间的压力时，两个紧密保持的板之间会产生物理力。

电磁相互作用

下一个问题是这些虚拟粒子的交换如何产生力？让我们以电磁为例。当两个同种的电荷彼此靠近时，量子理论表明，虚拟粒子的交换会在两个粒子之间产生能量梯度，从而使带电粒子之间存在更高的能量状态。由于粒子希望以最低能量状态存在，因此它们会分开。当两个异种电荷相互靠近时则相反，粒子处于较低能量状态，越靠近能量状态越低。

电磁力的作用范围为什么是无限远？为了解答这个问题，我们还要使用能量-时间版本的不确定原理，但此时能量要用质量方程进行替代。此时我们得到虚拟光子最多能存在的时间t≈h/(4πmc²)，在这段时间内它只能移动的距离D=ct，所以D≈h/(4πmc)。由于虚拟光子的静止质量为零，所以距离D的范围可以达到无穷大。

强相互作用

但这对于强力来说是一个难题，因为它的介导虚粒子胶子也是无质量的，然而强力的作用范围非常有限，只有一个质子的宽度。为什么它没有无限的作用范围呢？答案涉及量子色动力学。

首先要了解质子和中子是由三个夸克组成的，胶子负责将这三个夸克结合在一起。光子和胶子之间的主要区别在于光子是电中性的，因此它们不会与自身相互作用，它们仅在介导电磁力时与带电粒子相互作用。另一方面，胶子携带电荷，除了与夸克相互作用外，它们之间还会相互作用。事实上，胶子也是电中性的，它们不携带正电荷或负电荷，但它们有一种完全不同的电荷称为色荷。

强力作用于色荷的方式与电磁作用的方式存在重要区别。随着物体的距离越来越远，电磁力会变弱；然而两个夸克之间的距离越远，强力就变得越强。它就和橡皮筋一样，如果我们试图拉开两个夸克，那么它的力就会变大。然而，如果你把夸克撞到远离质子或中子的地方，能量就会变得如此之大，以致于橡皮筋断裂了。这时释放的能量就会产生一个新的夸克-反夸克对，还有一个新的夸克被拉回质子或中子。新产生的夸克-反夸克对称为介子，它们参与了把质子和中子捆在原子核的强力。

弱相互作用

弱力是如何工作的？它更像是一种能量，某些粒子必须将自己变成不同的粒子。这方面的一个例子是中子，通过发射电子和反中微子变成了质子。一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，质子由两个上夸克和一个下夸克组成。任何中子都可以通过将其中一个下夸克转化为上夸克而变成质子，它通过发射电负电的虚拟W-玻色子来实现这一点。由于W-玻色子带有负电荷，所以不带电的中子现在变成了带正电荷的质子。然后W-玻色子几乎立即衰变成电子和反中微子，这也是我们在实验中所能检测到的粒子。

弱相互作用很短的原因是因为W玻色子的质量非常大，因此W玻色子的存活时间非常短。用不确定性方程进行数学计算，作用范围大约为10^-18米，大约是质子直径的千分之一。弱相互作用的有趣之处在于它的强度，在质子直径的千分之一范围内几乎与电磁力相同，正是这种洞察力导致了电磁力与弱力的统一。

引力

我们之所以没有量子引力理论，是因为它在量子尺度上完全被其他三种力压制了。所以现在引力几乎是纯粹用广义相对论的几何术语来处理的。在某个层面上，所有4种基本力应该是相同的，弄清楚这种统一将引导我们建立万物理论。

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