基本相互作用

基本相互作用（fundamental interaction），为物质间最基本的相互作用，常称为自然界四力或宇宙基本力。迄今为止观察到的所有关于物质的物理现象，在物理学中都可借助这四种基本相互作用的机制得到描述和解释。大统一理论认为：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用可以统一成一种相互作用，目前统一弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已经获得实验证实。重力相互作用，简称重力或引力，是四个基本相互作用中最弱的，但是同时又是作用范围最大的（不会如电磁力一般相互抵销）。但当距离增大，重力相互作用的影响力就会递减，假设两物件的相互距离为 r {displaystyle r} ，其作用力则可以 1 / r 2 {displaystyle 1/r^{2}} 的计算式推论出来。不像其他的相互作用，重力可以广泛地作用于所有的物质。由于其广泛的作用范围，当物质质量为极大，物质有关的属性以及与物质的带电量有时可以相对地忽略。而由于其广泛的作用范围，引力可以解释一些大范围的天文现象，比如：银河系、黑洞和宇宙膨胀；以及基本天文现象例如：行星的公转；还有一些生活常识例如物体下落、很重的物体好像被固定在地上、人不能跳得太高等。万有引力是第一种被数学理论描述的相互作用。在古代，亚里士多德建立了具有不同质量的物体是以不同的速度下落的理论。到了科学革命时期，伽利略·伽利莱用试验推翻了这个理论－如果忽略空气阻力，那么所有的物体都会以相同的速度落向地面。艾萨克·牛顿据传说看到苹果掉落时发现地心引力，进而引伸出万有引力定律（1687年），是一个用来描述通常重力行为非常好的近似。在1915年，阿尔伯特·爱因斯坦完成了广义相对论，将重力用另一种方式描述－时空几何，并指出重力是空间与时间弯曲的一种结果。如今，将广义相对论和量子力学综合而成的量子引力理论，是一个相当活跃的领域。在此理论中，引力被假定为被引力子所传递。引力子仍是假想粒子，目前还没有被观测到。尽管广义相对论在非量子力学限制的情况下较精确地描述了引力，且被实验所证实，但是仍有不少描述万有引力的替代理论，其中被物理学家认真看待的，都会在某种极限下回到广义相对论，而目前观测工作的焦点就是在哪些极限状况下广义相对论会有偏差。电磁力和弱核力在日常生活的低能量态下看似大相径庭，并可用两种不同的理论所描述，但是在能量超过100GeV以上时，这两种作用力就会合成一种电弱力。电弱力对于现代的宇宙学而言相当重要，特别是在描述宇宙的演化。在大爆炸不久之后，温度大约在1015 K以上时，电磁力与弱核力融合成了电弱力。阿卜杜勒·萨拉姆、谢尔登·格拉肖及史蒂文·温伯格在1979年因电弱统一理论，得到了诺贝尔物理奖。世上大部分物质都具有电磁力，而磁与电是电磁力的其中一种表现模式。例如电荷异性相吸、同性相斥的特性是其中之一。电磁力和重力一样，其作用影响范围是无限大的。弱相互作用，或弱核力，可以说是核能另一种来源，主要是核子产生之天然辐射，四种相互作用中，弱相互作用只比引力强一点。强相互作用又称为强核力，所有存在宇宙中的物体都是由原子构成，而原子核是由中子和质子组成。中子没有电荷，而质子则带正电荷；但需要牵引力把它们结合在一起，而强相互作用就是这种“牵引力”