宇宙中只有四种基本自然力吗

ⁿ宇宙从一个质量极大、温度极高的奇点大爆炸开始，经过138亿年不断膨胀和演化，形成今天可观测直径达930亿光年的宇宙。宇宙虽然奥妙无穷，深不可测，但有一点是可以推定的，就是宇宙在形成和演化过程中，始终伴随着能量和作用力的变化，可以说自然力是宇宙的基本特征之一。

今天就和小伙伴说说在我们的地球乃至宇宙中无处不在的四个基本自然力。分别是万有引力、电磁力、强力和弱力。万有引力和电磁力是我们比较熟悉的宏观上可以观测的长程力，电磁力也是接触力；而强力和弱力是发生在亚原子层级的短程力，用肉眼无法观测到。分述如下：

1 万有引力（简称引力）：任何两个质点都相互吸引，引力的大小和它们质量的乘积成正比，和它们的距离的平方成反比。计算公式：F=Gm₁m₂/r²。注意公式使用条件，定律中的关键词是—质点，当两个物体的大小和它们之间的距离比较起来，小到可以忽略不计时，这两个物体可以看做质点，满足这个条件，使用公式计算才不会出现较大误差。

万有引力的力程长而强度小。万有引力是长程力，其力程最大可达星际间，在行星运动和恒星结构中起着至关重要的作用。其作用力的强度在四个基本里最弱。在原子和亚原子等微观尺度上，由于电力非常强大，引力就显得非常弱了。有人计算过，两个质子之间的电磁力是它们万有引力的10ⁿ（n=36）倍。

万有引力无处不在，你身体的重量，苹果为什么会从树上掉下来，都是地球引力作用的结果；地球的各个部分由于引力作用能够紧密地集聚在一起，并且保持固定的形状；由于地球的引力作用，航天员乘坐飞船能在轨道上绕地球飞行，地球可以围绕太阳转等等，总之万有引力的例子不胜枚举。

现代物理理论认为，物体间的引力是由一种叫做引力子的粒子作为传递媒介，尚需证实。

万有引力将地球的各个部分吸引在一起，形成美丽的星球

2 电磁力包括电力和磁力，是带电粒子或宏观带电物体之间的相互作用，它是由光子作为传递媒介的。电力和磁力具有同源性，因此统称电磁力。

众所周知，宇宙万物都是由原子组成，原子由原子核和核外电子组成。原子核带正电荷，电子带负电荷。同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引，这种排斥或吸引的作用叫做电力。原子之间、由原子组成的分子之间以及原子与分子之间，在一定条件下，彼此之间能够施加作用力。

当电荷处于静止状态时，电荷之间相互作用的是电力，受库仑定律支配：两个静止的点电荷之间的电力，与它们所带电量的乘积成正比，与它们之间的距离的平方成反比。计算公式：F=kq₁q₂ /r²。公式使用同样要满足定律中的关键词—点电荷—这个条件，当两个宏观带电体的大小和它们之间的距离相比，小到可以忽略时，带电体方可视为点电荷，如此使用公式计算电力，才能反映真实的电力值。

当电荷处于运动状态时，不仅会产生电力，还会产生磁力。也就是说，磁力的来源是运动电荷，磁力是运动电荷之间的一种相互作用。磁力的特征通常用”磁场“来描述。通电导线的周围会出现磁场，永磁铁周围也会出现磁场，永磁体有两个磁极，分别叫做N极和S极，同性磁极互相排斥，异性磁极互相吸引。永磁体的磁极可以吸引铁屑，磁极彼此之间或互相排斥，或互相吸引；罗盘的指针总是按着地磁场的方向指向南北，这些都是磁力作用的宏观表现。有小伙伴会问：永磁体不带电流啊，怎么会产生磁力？其实永磁体是带有电流的，不过我们肉眼看不见，永磁体的每个原子都带有微小的环形电流，这些环形电流沿着相同的方向有序排列，宏观上和通电螺线管产生磁场的原理相同，用右手定则可以判断通电螺线管的磁极和磁场方向。

电磁力的力程变化大，强度变化也大。电磁力既是长程力，也是接触力。其力程最大可达无限远，其作用力的强度比“强力”小，而比“引力”和“弱力”大。上面已经谈及，在原子和分子的尺寸，电磁力远远大于万有引力。但是在宏观尺度上，通常物体所带的正、负电荷数量相等，整个物体呈现电中性，所以它们之间不存在电磁相互作用。

电磁力无处不在。自然界雷电、太阳活动到深空超新星爆发都有电磁力产生；电话、无线电通讯、互联网等都是当今人类生活不可或缺的工具。截止2020年3月，我国天眼（FAST）接收来自宇宙的信号、发现并认证的脉冲星已达114个，这是利用电磁力探索宇宙成功的例子。接触力的例子更是不胜枚举：弹力、摩擦力、流体阻力、浮力、黏结力等等。可以说，如果没有电磁力，世界会变成什么样子，是难以想象的！

电磁力将DNA大分子聚集在一起

3 强力是原子核内质子之间存在的一种自然力，它比质子之间的电磁力强而方向相反。原子核包含质子和中子，质子带正电而中子不带电，质子由于携带同种电荷而互相排斥，但是实际情况是原子核并没有因此而分离，原因是有一个更强大的自然力—强力—作用在质子和中子上，使得粒子之间互相吸引力大于排斥力，而把质子和中子束缚在一起，从而形成稳定的核。

强力是以胶子作为传递媒介，它的特点是力程短而强度大，它的力程大约为10ⁿ（n=-15）m，比电磁力短得多。两个质子之间距离小于10ⁿ（n=-15）m时，强力占主要的支配地位；当质子之间的距离大于10ⁿ（n=-15）m时，强力会变得很小而可以忽略不计。强力在在四个基本力中强度最大，在强力的力程内，两个相邻质子之间的最大作用力可达10ⁿ（n=4）N.，是同样条件下电磁力的100倍。

强力使原子核的质子和中子紧密地聚集在一起

4 弱力是发生在粒子之间的，力程最短，强度很弱的一种基本自然力。它是以中间玻色子作为传递媒介的。其力程比强力还要短，大约10ⁿ（=-17）m。强度很弱，两个相邻质子之间的弱力大约仅为10ⁿ（n=-2）m。

弱力在普通放射性β衰变中能够发挥重要作用，在β衰变的放射性原子核中，一个中子转化为一个质子，同时抛出一个电子和一个几乎没有质量的反中微子。反中微子和普通物质之间的弱力是这样的微弱，以至于反中微子能够很容易地穿过100万公里厚的铅做的墙！而超新星爆炸时，大部分能量都是通过弱力释放的。

超新星爆炸时，大部分能量都是通过弱力释放的

有小伙伴问：宇宙中只有四种基本力吗？我的回答：是的！宇宙中的各种相互作用尽管名目繁多，但是都没有超出四种基本力的范围，到目前为止，还没有发现第五种基本力。如果有谁发现并且经过实验证明的第五个基本力，恭喜他！说不定能获得诺贝尔物理奖呢！