审校&配图：杨夕歌
前言：
笔者与小编合作推出第一篇文章
(《
暗物质暗能量之谜——宇宙大尺度的广义相对论！
》)
之后，我们收到了众多小伙伴们的意见反馈，小伙伴们期待看到更多精彩的科普文章。笔者和小编于是决定为读者奉献更为诱人的学术大餐，我们计划以“大自然的基本力”为主题推出一系列精彩的科普文章，(精彩预告：这个系列的文章将涉及现代物理学的众多热点领域，包括广义相对论与引力场，规范场与对称性，规范场自发对称破缺的希格斯机制，强,弱相互作用势与夸克禁闭，渐进自由，四种基本相互作用的耦合场方程，精彩不容错过！！)本文是这个系列的第一篇文章，敬请关注公众号“科普最前线”并参与我们的学术讨论
（当然也欢迎非学术的吐槽——小编注）
！
“相互作用”是什么意思呢？笔者认为，不必纠结于物理的一些专业术语，相互作用这个概念咱们中学就早已学过啦。我们所熟悉的万有引力就是一种相互作用，它是两个具有质量的物体彼此之间产生的相互吸引的作用
(让苹果砸到了牛顿的头上)
，所有它被叫作“引力相互作用”，我们熟悉的还有电磁力，即两个带同种电荷的物理彼此相互排斥，带异种电荷的物体彼此相互吸引
（同性相斥，异性相吸）
，这种相互作用被叫做“电磁相互作用”，我们不熟悉的相互作用还有“强相互作用”和“弱相互作用”，笔者会在本文中具体介绍。“
引力相互作用，电磁相互作用，强相互作用，弱相互作用
”这四种相互作用被称作“基本相互作用”。
四种相互作用简图——by小编
基本相互作用对于我们的大自然来说，具有“基本的重要性”，自从牛顿老爵爷发现了引力相互作用以后，基本相互作用就一直是物理学研究的核心课题。麦克斯韦的电磁理论，爱因斯坦的广义相对论，杨振宁-米尔斯的规范场理论
（德国数学家外尔Weyl是第一个提出规范场思想的人）
，GWS标准模型，希格斯机制，还有最近特火的“引力波”等等，这些都是关于基本相互作用的理论
（后面的文章会对这些概念一一进行讲解——小编注）
。为什么基本相互作用如此的重要呢？因为这些基本相互作用是上帝构建我们这个宇宙的“基本方法”，
它们决定了宇宙中几乎所有物质的运动规律
，大到银河系太阳系地球月球，小到电子原子核质子中子夸克，宇宙能够在不同的尺度和层次稳定地运转着，全都仰赖这些基本相互作用。
读者可以设想，我们的宇宙是一个巨大的建筑，建筑由不同的材料构成：砖头，石板，水泥板，钢筋混泥土...，那么如何把这些材料组建在一起建立一座大厦呢？建筑工人会使用一系列“基本方法”把不同的材料粘合在一起，用砖头建成墙面，用墙面建成房间，用房间建成楼层，楼层组成大楼，每一层的组装都需要用不同的“基本方法”,这些“基本方法”对于我们宇宙而言就是我们要讨论的不同的“基本相互作用”，它们在不同层次上主导物质来构建我们的宇宙。
这四种相互作用在不同的尺度上各司其职，在各自的舞台上
决定着万物运行的规律
——小编注
宇宙中的所有物质都是由不同层次的微观组织构成的，例如生命个体有蛋白质大分子构成，分子则由原子构成，原子的内部有原子核和绕核电子
（粒子物理学将电子归类为“轻子”，是一类微观粒子的总称）
，原子核内部则由质子和中子
（粒子物理学将质子，中子归类为“强子”）
构成，质子，中子内部则由夸克构成。除此之外，还有大量的微观粒子游离于这些粒子之间，如中微子，胶子，π介子等等。
不同层次的物理世界由不同的物理规律来支配，大自然中这四种基本相互作用就是不同层次的物理世界的基本规律。它们在物质结构中所占的支配层面依次是：
下面我们来仔细看看这四种基本相互作用是如何主宰这个宇宙的。
引力相互作用——从牛顿到爱因斯坦
引力相互作用是人类最早发现的基本相互作用。在三百年前牛顿建立了最初的引力理论，此后人们
一直称之为“万有引力”
。二十世纪初，爱因斯坦在发展相对论理论时，用“等效原理”将非惯性力与引力场“等效”(就是将它们视为一种力)，从而为引力相互作用建立了广义相对论。
在宇宙层次上引力相互作用发挥着重要的作用，它是刻画星体运动的基本规律，包括太阳地球月亮的运动，星系的稳定性，红巨星大爆炸，引力波，暗物质暗能量现象
（文献[2]）
等等。我们知道，只要有质量就有引力相互作用，但是相对于宇宙大星体物质
（例如太阳）
，地球上物体的质量都比较小，所以引力相互作用在地球上就比较微弱了，但是在宇宙天体这样的质量量级上引力相互作用就是主导性的相互作用。因此：
“
引力相互作用刻画了在宇宙尺度上星球，星系的运动规律。
”
刻画引力相互作用的物理理论是爱因斯坦的
广义相对论
，广义相对论的基本思想笔者在之前的文章中已有讨论[2][4]
（《
暗物质暗能量之谜——宇宙大尺度的广义相对论！
》）
,它最关键的思想就是将引力相互作用视为宇宙空间弯曲的几何效应。在广义相对论中，宇宙的时空结构是一个四维
（时间1维+空间3维）
的弯曲的黎曼流形
（读者可以想象宇宙是一个弯曲的曲面，且这个曲面是4维的）
，在数学中使用黎曼度量
来 刻画这个空间的弯曲，广义相对论告诉我们，这个量
就是宇宙中的引力相互作用的作用势，
被称作“引力场”，它包含了宇宙中引力相互作用的全部信息，也就是说：
“宇宙时空的弯曲 =引力场”
同时，广义相对论向我们提供了计算
的方程，即爱因斯坦的场方程：
该方程在计算
球对称物质
源引力场时得到的引力计算公式与牛顿万有引力公式相同：
广义相对论得到了众多的物理实验支持，是刻画引力相互作用的基本理论。笔者在之前的文章[4] 中介绍了四川大学马天教授与美国印第安纳大学汪守宏教授所建立的暗物质暗能量的统一理论，是对爱因斯坦广义相对论的在宇宙大尺度结构上的自然修正
（由此发现暗物质暗能量现象是宇宙在大尺度下的引力效应导致的）
，并不违反广义相对论的物理思想和已有的物理结论。可查阅[4][5].
电磁相互作用——从麦克斯韦到规范场
电磁相互作用是带电物体之间的基本相互作用，简单地讲就是“同性相斥，异性相吸”。
电磁相互作用导致带电粒子的运动，带电粒子的运动形成电流并在空间形成感应磁场，磁场反过来也能激发空间的电场，影响带电粒子的运动，它们也是“相互作用”的。
电磁相互作用主导了带电大分子之间的运动规律，例如蛋白质分子等生物大分子的运动，材料科学中共价电子的运动，凝聚态物理中带电粒子之间的相互作用等等。
电磁相互作用发挥主导作用的距离层次是10^(-8)至10^(-6)厘米, 这个距离就是分子和原子的尺度。简单地说：
“电磁相互作用刻画了带电粒子，分子，和原子的运动规律。”
（我们日常生活中所熟悉的除引力之外的所有力，本质上都是电磁力——小编注）
刻画电磁场变化规律的是大名鼎鼎的
麦克斯韦方程组
：
尽管数学形式比较抽象，但方程的物理意义是非常简单而明确的——小编注
我们中学阶段所熟悉的摩擦力、弹力和分子间作用力，本质上都是电磁力，可以用麦克斯韦方程组来描述——小编注
电磁相互作用的发展历经了一个漫长的过程。在麦克斯韦之前，人们认为电和磁现象是相互独立的。在库仑，高斯，安培，法拉第等先辈的推动下，电磁理论逐渐完善，随后麦克斯韦整合了这些理论，建立了上面的麦克斯韦方程组，成为十九世纪物理学的一大辉煌。
值得一提的是，麦克斯韦方程组首次启发了外尔
（Hermann Weyl，德国数学和物理学家——小编注）
建立
规范场
（Gauge Theory）
的思想与理论。在规范场的框架下，电场和磁场可以统一用一个称之为
电磁势
的四维向量场表示
（一维电势，三维磁势[6]）
。规范场在现代理论物理学中具有很重要的地位，这会在以后的文章中再次提及。
强相互作用
相比于电磁相互作用，强相互作用是在更加细微的层次上发挥作用。强相互作用的研究发端于原子核物理，早期的研究就包括汤川秀树的介子理论。从二十世纪下半叶开始，以杨振宁-米尔斯规范场理论为基础发展了
量子色动力学
(QCD)
来研究强相互作用，并成为了“标准模型”的一部分。
量子色动力学中的“色”和“电荷”颇为相似，不同之处在于，电荷只有正负两种，“色”却有三种，因此人们用红绿蓝三色来描述“色荷”——小编提前透露
我们知道原子核是由质子和中子组成的，那么是什么力量将质子和中子
（称为核子）
束缚在一起组成原子核呢？就是这里介绍的强相互作用，同时强相互作用将夸克束缚组成强子
(包括质子，中子等微观粒子)
。强相互作用的力程
（即粒子之间发生强相互作用的距离）
非常小，只有 10^(-13)厘米，超过这个距离强相互作用就会迅速衰减，也就是说我们在日常的生活中是觉察不到强相互作用的，它只在微观的原子核的尺度上发挥作用。因此：
“强相互作用刻画了在微观尺度上原子核，强子
(包括质子，中子等微观粒子)
的运动规律。”
笔者计划在后续的文章中专门讨论规范对称性及强相互作用，将使用通俗易懂的语言让读者了解这些现代的物理理论，敬请期待。
弱相互作用
事实上弱相互作用其实并不“弱”，就作用力的强度而言它比引力和电磁力都要强，它被称作“弱作用”是因为相比较“强作用”而言它是比较弱的。弱作用发生在及其微观的尺度上：它是夸克，轻子
（电子，中微子等微观粒子）
之间的相互作用，弱相互作用的力程是10^(-16)厘米, 当两个粒子之间的距离超过某个临界值时弱相互作用就会迅速衰减，所以我们在生活中是感觉不到弱相互作用的，它却能在于极其微观的世界中( 在轻子和夸克尺度内, 即r<
10^(-16)厘米
的微观尺度 ) 发挥主导作用，是我们所认识的最为微观的基本相互作用：
“弱相互作用刻画了轻子，夸克等微观粒子的运动规律。”
自上世纪上半叶，大量的物理实验测得微观粒子之间的具有碰撞，衰变等粒子作用
（例如
β
衰变）
，这些粒子反应被测试出不是强相互作用和电磁相互作用所为，更不可能是引力相互作用
（微观粒子质量极小）
，由此物理学家间接地发现了弱相互作用，这种相互作用导致了这一些列微观粒子之间的反应和衰变。
β
衰变是最著名的一种粒子衰变，它暗示我们在电子，中微子，夸克这一层微观世界中还有更微观的相互作用，就是弱相互作用。
β
衰变如下所示
（笔者注：1956 年李政道和杨振宁提出弱相互作用过程宇称不守恒，第二年吴健雄等人利用极化核60Co 的
β
衰变实验首次证实了宇称不守恒, 李政道和杨振宁因此获得诺贝尔物理学奖）
。
所谓的
β
衰变简单地说，就是一个中子会自发消失，然后“变成”一个质子，一个电子和一个中微子，笔者初学
β
衰变只时觉得这个反应颇为神奇，中子里面并不包含质子电子中微子这样的内部结构，所以不可能是粒子的自我解体，那么，一个中子为什么会自发突变，变成这三种粒子呢？待笔者对弱相互作用有了一定深度的了解之后，才知道这不过是弱相互作用导致的粒子之间的变化
(书[1][3])
，才惊叹于大自然的美与和谐，源自于宇宙在不同层次上精妙的相互作用。
一图看懂β衰变——by小编
关于弱相互作用的物理理论是标准模型的Glashow-Weinberg-Salam弱电理论，简称GWS 模型
（1979年温伯格、萨拉姆和格拉肖三位理论物理学家因建立这一物理模型，共享了诺贝尔物理奖）
。
GWS模型结合微扰理论建立了量子场论的方法是二十世纪物理学的辉煌成就，被称作物理学“标准模型”，它是计算基本粒子衰变，散射概率的有力工具，著名的
自发对称破缺
（这个概念事实上非常广泛，小编会在自己的文章中大量介绍这一概念——小编注）
和
希格斯机制
也是弱相互作用理论的一部分。笔者将在后续的文章中带领读者更加清晰地认识弱相互作用，并分享对自然之美的享受。
下期预告
本文带领读者们大致认识了四种基本相互作用。在下一篇文章中，我们会进一步深入了解四种相互作用的基本理论，包括规范场的概念，相互作用势，相互作用荷，媒介子理论，标准模型的简单介绍，等等。并启发读者做进一步地思考。
参考文献：
[1]Tian Ma, Shouhong Wang: Mathematical Principles of Theoretical Physics, Science Press, August 2015, 524pp.免费下载地址：http://www.indiana.edu/~fluid/MPTP.pdf.
[2]马天：《从数学观点看物理世界--几何分析，引力场与相对论》，科学出版社，2012.
[3]马天：《从数学观点看物理世界--基本粒子与统一场理论》，科学出版社，2014.
[4]"暗物质暗能量之谜——宇宙大尺度的广义相对论！", 科普最前线。
[5]Tian Ma, Shouhong Wang: Gravitational field equations and theory of dark matter and dark energy. Discrete. Contin. Dyn. Syst., Ser. A 34(2), 335–366 (2014). See also arXiv:1206.5078.
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_four-potential.
来源： 科普最前线
编辑：雾里熊
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