Page 79 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

子即光子，电磁场可看成是无限多光子的集合。标准模型理论将自然界所有的相互作用（或
力）归结为四种基本的相互作用，即引力相互作用或引力、电磁相互作用或电磁力、弱相互

作用或弱力、强相互作用或强力。这些相互作用都必须通过相应的场进行，粒子与场交换场
量子（媒介粒子）产生了力。与电磁相互作用对应的是电磁场，场量子是光子，电磁力是带
电粒子与电磁场交换光子而产生的，故光子是传递电磁力的媒介粒子。与强相互作用对应的
是胶子场，场量子是胶子，强力是强子或夸克与胶子场交换胶子而产生的，故胶子是传递强
力的媒介粒子。与弱相互作用对应的是所谓中间玻色子场，场量子是 W 或 Z 粒子，弱力是
通过交换中间玻色子而产生的，W 和 Z 粒子是传递弱力的媒介粒子。与引力相互作用对应
的是引力场，场量子被命名为引力子，虽然引力子还没有被实验观察到，但人们相信引力子
必定存在，引力不过是物体在引力场中交换引力子而产生的。四种基本力的媒介粒子都是玻
色子（即自旋为零或整数的粒子），它们具有动量和能量，其中光子、引力子和胶子都是以

光速 c 运动的粒子。四种基本力的性质和作用范围相差很大，引力和电磁力是长程力，作用
-15
范围可达无穷远；强力和弱力是短程力，作用范围限于原子核的尺度范围（＜10 m）。根
据四种基本力的作用强度，由小到大排列为：引力、弱力、电磁力、强力。其中引力的强度
-40
仅为强力的 10 。描写这四种相互作用的理论分别是广义相对论、电弱统一理论、量子电
动力学和量子色动力学，后三种理论都是以量子力学为理论依据，认为相互作用的实质是物
质和能量交换，只有广义相对论是个例外，它把引力描述为时空几何的改变。表 5.1 列出了
四种相互作用的主要特征。
表 5.1 四种相互作用力的主要特征

相互作用力 引力 弱力 电磁力 强力
强度 10 -40 10 -8 1/137 1
-18
-15
-16
力程 ∞ ＜10 m ∞ 10 ～10 m
-
+
0
媒介粒子 引力子？ W 、W 、Z 粒子 光子 胶子（8 种）
作用对象 所有物体 强子、轻子 带电或磁矩的粒子 夸克、强子
物理现象 天体运动 β衰变、中微子反应 原子和分子力 强子的产生和反应
理论 广义相对论 电弱统一理论 量子电动力学 量子色动力学
为了解释引力，爱因斯坦独辟蹊径，他摒弃了力的概念，改用时空几何学来重新解说万
有引力。按照他的理论，所谓引力场，实际上表现为 4 维空间-时间由于物质的存在和运动
而产生弯曲的曲率场，光线在这弯曲的 4 维空间-时间里是沿着最短路径传播的，引力就表
现为 4 维空间-时间的曲率。在这样的运动法则里，根本没有“力”，从行星、恒星、星系
和星系团到地面上一块石头、一只苹果的落地，宇宙万事万物的运动并非统一于万有引力的

作用，它们的运动不受力学规律的支配，而是时空本身几何学的演绎结果。如今，广义相对
论在宇宙学研究中的有效性得到了广泛的认同，已经成为现代天体物理学和宇宙学分析问题
的基础。
广义相对论的动力学机制（时空弯曲）和量子电动力学的动力学机制（交换光子）看起
来有明显的不同。目前，描写引力相互作用一般采用广义相对论，描写电磁、弱、强相互作
用则采用量子场论。爱因斯坦为了将电磁力统一到广义相对论，几乎耗费了他后半生的全部
精力，最后无果而终。尽管如此，建立适用于四种相互作用力的统一场论仍然是物理学家追
求的主要目标之一。
二、粒子在力场中的运动

根据相互作用理论，粒子在力场（引力场、电磁场、强力场、弱力场）中运动是通过交

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