自然界中的力

自然界中的力

力——一个笔划简单的单词。人们通常把它理解为一个物体对另一个物体的作用，它是人们最熟悉的一个物理概念。但是人们可曾想到，它乃是自然界中最大的一个难解之谜。毫不夸张地说，就是最权威的物理学家，也没有本领把自然力中的任何一种说得一清二楚。人类开始科学地、系统地认识自然力，已经有三百多年的历史了。人们在认识自然力的征途上的每一项重大突破，都会在科学上爆发一场重大革命，给人类的物质文明和精神文明带来深远的、不可估量的影响。

如果我们把宇宙比作一座时钟，那么自然力就是驱动这座时钟运转的发条，推动着宇宙的演化和发展。那么，下面就让我们一起认识一下自然界中的力。

“力”字探源

众所周知，力学中出现频率最高的是“力”字。古人对于力作用现象的粗浅观察，大多是文字记载的。文字是人类用来记录和传达语言的书写符号，其实文字也是人类认识自然和改造自然的最好见证。在揣摩、研究“力”字的过程中，我国一位专攻中国古代物理学史的学者，通过搜集各方面资料，从甲骨文中获得了一项发现。原来，甲骨文的“力”字写作乂，表示像耒（古代的一种农具，形状像木叉）那样的尖状起土农具。将一根削成尖状的木棒插入土中，把泥土翻起，这种劳动需要人的体力。甲骨文的“男”字写作“田卜”，意思是用力耕田。

因此，这位学者认为，甲骨文的“力”字，可以看作是我国古代人认识力的最早见证，当然这里记载的是体力。而“男”字的造型，反映了当时像耕耘、种植这样的体力劳动是男子的职责。由此可见，“力”字至少出现在公元前13世纪。

与文字记载探源有关的便是古籍的发掘。要在浩如烟海的古籍中进行发掘也不是一件易事。但经过许多学者的研究，一致认为《墨经》是我国最早的一部物理学的古典文献，其中包含许多有关力学的文字。

墨家的创始人是墨翟，又称墨子，既是著名的思想家、哲学家，又是古代一位少有的对物理知识有重要贡献的人物。墨子一生勤于钻研，热心于对自然的研究，最喜欢“摹万物之然”，于是在他的著作《墨经》中，对发现力的事实又作了进一步的记载。

《墨经》载：“力，刑之所以奋也。”这里的“刑”同“形”，指物体。

“奋”的原意是鸟张大翅膀从田野里飞起。而要指出的是，“奋”字在古籍中有多方面的含义，像由静而动，动到愈速，由下上升等都可以用“奋”字。所以上述记载的意思是：力是使物体由静而动、动而愈速或由下而上的原因。

《墨经》这一条“说”还指出：“力：重之谓。下，舆。重奋也。”这是对力的进一步阐述。

虽然一个物体在力的作用下会改变运动的状态（包括由静而动），但力是不容易被人看见的，所以往往要通过物体的“重”（即重量）来表现。“谓”指表达，因有重量的报告，才知力的多少强弱。

在墨家看来，“力”和“重”是相当的。我国古代一直把重量的单位如“钧”、“石”等作为力的量度单位，从一个侧面说明了这一点。再有，以前人们把“力学”称“重学”也源出于此。

“舆”有举之意，“下，舆。重奋也。”意即物体的下落或上举，凡物有重量可表达的，都是运动的力。

墨家的这条文字符合当时认识水平：人们知道状态的改变需要什么，他们不仅看到鸟从田野奋飞而起的神态，也亲身体验到从下往上把重物举起的过程所必须付出的代价。这条文字也没有超越时代的局限：先秦时期显然没有加速度概念，更不可能将加速度和力联系在一起，人们只能从“奋”、“下”、“舆”这些动作或状态改变中，从“重之谓”有关物体重量的报告中，去寻找力的原因。

当然，墨家上述力的定义限于当时的历史条件，表达还不那么精确。但是远在2000多年以前，以墨翟为首的墨家能从实际的细致观察中，给出力的这种意味深长，比较正确的定义，确是难能可贵的。应该说是达到了当时认识自然的一个高峰，是一项相当了不起的发现。

引　力

一、开普勒的贡献

哥白尼的太阳中心说，是16世纪科学史上最伟大的成就。近代科学革命，正是以此为开端的。不过，这场革命开始时，规模还是很小的，而且不时地遭到中世纪反动教会势力野蛮的袭击。直到17世纪，自然科学还不过是一颗刚出土的嫩芽。

意大利勇敢的天文学家布鲁诺，坚持哥白尼的“太阳中心说”观点，反动教会斥责他是异教徒。1600年3月17日，他被活活烧死在罗马的百花广场上。但科学从不是软弱无能的，近代科学革命面对反动势力的挑战，依然在黑暗中传播、发展。天文学家开普勒的老师——丹麦天文学家第谷·布拉赫也信奉“地球中心”说，开普勒继承师命，想从他的老师遗留下来的资料中找出科学依据，来证明哥白尼的“日心说”是错误的。然而，他凑来凑去，观测到的数据与地心说总是不能吻合。终于，撇开“地心说”的念头在他脑海中产生了。他想，如果按哥白尼“日心说”计算，结果会如何呢？他计算了一下，同观测到的情况有点接近了，可依然不理想。

经过数年的埋头钻研，开普勒终于得出了正确的结论：地球确实和其它行星一样，在不停地绕太阳运行；但这个轨道并不是圆的，而是一个比圆复杂的椭圆。太阳也并不位于中心位置，而是处于椭圆的一个焦点上。

1609年，开普勒发表了关于行星运动的两条定律。一条是：每一颗行星总是沿着一条椭圆轨道环绕太阳转，太阳则处在椭圆的一个焦点上；另一条是：从太阳到行星所连接的直线，在相等的时间内扫过同等的面积。9年之后，他又发现了第三条定律：行星绕太阳一圈的时间的平方和行星各自离太阳的平均距离的立方成正比。这就是著名的开普勒行星运动三大定律。由于开普勒的贡献，哥白尼的“太阳中心说”有了进一步的发展。太阳系诸行星的秩序终于澄清。此后，天体之间的运动更吸引着人们的注意，到底是什么原因驱使着行星不知疲倦地绕太阳作规则的椭圆运动呢？可能有某种力作用于行星。

二、伽利略的实验

在意大利的比萨城，有一座高塔。由于设计师的疏忽，塔建成不久，因一侧地基下沉，塔身便倾斜了。不过由于塔身坚固，这个塔并没有倒塌。

这座斜塔记下了一项十分珍贵的科学实验，这就是16世纪末比萨大学一个青年讲师伽利略的重力加速度实验。

伽利略以前的人，对重力加速度几乎一无所知，他们相信书本上记载的亚里士多德的信条：同样大小的物体，其坠落速度和它的密度成正比。物体愈重，坠落得愈快。伽利略不相信这种结论是正确的。据说，他拿了两只形状和大小都一样的铅球和石头，登上比萨斜塔的顶部。他举起双手，同时将两物体松开。两物体越来越快地往下坠落，最后铅球和石头同时落到了地面。为了搞清物体下落的规律，伽利略做了许多实验。他让一只金属小球从光滑的斜面上滚下来，此时，小球滚下的情形和自由下落的情形十分相似，只是速度慢得多。伽利略用了一只简单的水钟，记录下了小球滚下的路程。伽利略从多次的记录中发现，一个物体从高处下落的速度，会随着下落的时间越来越快，并把这个规律用精确的数学公式表示了出来。

是什么原因促使物体以越来越快的速度坠向地面呢？伽利略对此也曾猜想过：这可能是地球对物体的引力。

三、牛顿的发现

依萨克·牛顿，1642年生于英格兰乌尔索普小村的农民家庭，父亲在他出世之前就去世了。三年后，母亲又改嫁，被继父带往新居。牛顿从此由外婆来照料，并进到乌尔索普村立小学接受教育。14岁那年，牛顿的继父又去世，母亲带着三个儿女，回到乌尔索普农家，过着更为贫寒的生活，幸而牛顿的舅父安斯考对这位少年人很有兴趣，帮助牛顿进到了格蓝珊公立中学，后来又帮助他考进了剑桥大学三一学院，这就是牛顿一生事业的开始。

1665年的牛顿犹如一粒成熟的种子，开始吐芽，预示着科学上就要开出灿烂的花朵。这时，已经有几个重大的问题在牛顿的脑海中盘旋：是什么原因约束着一颗巨大的行星如此规则地沿着椭圆轨道绕太阳旋转？又是什么原因使物体以越来越快的速度坠地？这两者之间存在着联系吗？这三个问题的提出，本身就是一个了不起的成就。科学上的重大发现，往往是把两个表面上看来几乎完全无关的事件联系在一起后才完成的。

据说，牛顿在乌尔索普家中的苹果园，看到一只苹果落地，从而联想到引力的问题。苹果以越来越快的速度落向地面，是由于地球对苹果吸引力的缘故。地球既然对苹果有吸引力，那么它为什么不可以对月球有吸引力呢？正是这个力起到了一根无形的绳子作用，迫使行星绕太阳旋转，也迫使月亮绕地球旋转。

牛顿是个数学上很精通的天才，到了1685年，他在科学上更加成熟了。那时，他不但搞清了地球的正确半径，还掌握了力、加速度和物体重量的关系。特别是他证明了：一个具有引力的物质组成的球吸引它外边的物体时，就好像所有的质量都集中在它的中心一样。把太阳、行星、月球都当作一个质点看待的简化计算方法显然合理。这就把粗略的近似计算提高到了极其精密的证明。万有引力的正确表达公式，终于在牛顿手中得到了。

万有引力定律的表述是：两个物体彼此以力在相互吸引着，力的大小和两个物体的质量的乘积成正比，与两者之间的距离的平方成反比，公式的形式是：

式中M1、M2表示相互吸引的两个物体的质量；R表示两物体之间的距离，G表示引力常数。

万有引力定律，把天体间的力和地上的引力的联系建立起来了。牛顿写到：“如果我们设想抛射体的运动情况，就可以很容易地理解到为什么行星可以保持在某条轨道上：因为一粒水平射出的石子，由于它本身的重量（地球对它的引力），使它不得不离开直线轨迹……并在空中描出一条曲线，最后落到地面上；射出的速度愈快，它的射程越远。所以我们设想石子的速度增加得非常之大，以致射程越过了地球的界限，从地球上擦过去了。”月球和今天的人造地球卫星，正是牛顿所描述的这种情景。

四、爱因斯坦的创造

自从牛顿发现万有引力定律之后，大约有二百多年的时间，人们对引力的认识再没有什么实质性的进展。直到20世纪初，牛顿的经典引力理论，才由德国一位青年物理学家阿尔伯特·爱因斯坦把它大大地向前推进了一步。

1879年3月14日，爱因斯坦生于德国的乌尔姆城，父亲和母亲都是犹太人，出生次年，全家移居慕尼黑，在那里度过了他的少年时代。15岁那年，爱因斯坦的父亲因经营工厂失败，家庭移居意大利的米兰。爱因斯坦继续留在慕尼黑中学读书，开始了他的独立生活。16岁那年，爱因斯坦为谋求一个职业，去苏黎世报考瑞士联邦理工大学，不幸落选。他毫不灰心，经过一年的勤奋备考后，次年终于如愿了。大学时代的爱因斯坦，与中学生时代的嗜好一样，依然是不倦地钻研着一大堆同课程无关的书籍，其中有基尔霍夫、赫姆霍兹、赫兹、玻尔兹曼等人的物理名著，还有一些乱七八糟的哲学书籍。就在他的大学年代，以太、时间、空间、电磁场……，这样一些物理学中的基本概念，成了爱因斯坦经常思考的问题。

1900年，爱因斯坦大学毕业，只因为他是犹太人，没有瑞士国籍，使他足足有两年没有找到固定的工作。生活贫困，慢性病的折磨，终未能减低他对理论物理的极大兴趣。1901年，22岁的爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发表了他的第一篇科学论文。次年，在他的亲密同学格罗斯曼的父亲帮助下，好不容易在伯尔尼瑞士联邦专利局找到了工作。他在每天应付那烦琐的事务工作之余，继续开展理论物理的研究。在这些看来最平常不过的年代里，却是爱因斯坦科学生涯中最富有创造性年代。

1905年，是爱因斯坦在这些创造性年代中所做出最为伟大贡献的一年。在这一年，他连续发表了几篇震惊世界的论文。其中，《论动体的电动力学》一文，是爱因斯坦多年探索的结果，这篇狭义相对论的论文，以其完整的形式，提出了等速运动下的相对性理论和空间的新概念，从根本上动摇了作为物理学基础的牛顿力学关于绝对空间和绝对时间的观念，引起了物理学理论基础的重大改革。

1905年的巨大成就，使爱因斯坦从一个专利局的小职员跨入了第一流物理学家的行列。爱因斯坦并没有因这些成就而停止他探索自然的脚步。1908年以后，他又开始了一个更为艰巨的课题的研究：牛顿的引力质量是什么？怎样才能把牛顿的引力同狭义相对论融合起来？他一个人埋头钻研，前后花了7年心血。终于彻底改造了牛顿的万有引力理论，创立了广义相对论。

爱因斯坦想，倘若有一个人站在可以自由升降的电梯里面，如果没有地球的引力，电梯加速上升，而且这个加速度正好等于重力加速度。那么，电梯里的人一定以为，他是处在一个正常的地球引力场中。可这时，电梯内的重力感觉，恰恰是由于电梯加速上升的惯性引起的。爱因斯坦因此斩钉截铁地作出结论：这两种力没有区别。爱因斯坦从这件事得到启发，也许引力场和一个非惯性系统（升降梯的加速运动）之间，在一定范围内是等价的。下一步，便是如何用数学形式把这个重要的等价原理恰如其分地表现出来。苦战7年，当爱因斯坦找到了黎曼几何（非欧几里德几何）的数学形式之后，才用它建立起了一种崭新的理论——广义相对论。从广义相对论的角度看，物体之所以落到地面，是因为地球周围的空间是弯曲的。

为了说明这个抽象的概念，我们可用一个平面的例子来说明。尽管具体情况要复杂得多；但其基本精神还是一致的。如果一只有智慧的动物，生活在一平面上。它要从平面上的A点到达B点。路程最短的方案，便是连结A、B之间的直线，如果在A、B之间放一块石头，把平面压凹下去，但A、B之间的位置不能发生变化。这时，动物从A点到B点的最短路程就不是直线了。我们把最短路线不是直线的空间叫做弯曲空间。如果在这个弯曲空间的A、B两点各放一只小球，小球将会自然地往石头压弯的地带滚去，这就像地球上空的物体，在引力作用下坠向地面一般。

在广义相对论看来，物体在引力场中的种种行为，正是由于它所处的空间，受到质量的影响而发生的弯曲所造成的。它再不是牛顿提出的那个引力传递不需要费时间的超距作用。弯曲的时空，是20世纪20年代的一个震惊世界的出色理论。

广义相对论是人类智慧杰出成就的标志之一，是现代物理学的一大支柱。它为人类探索引力的本质提供了理论基础。

电磁力

一、库仑定律

人们很早就对静电现象有所了解，我国古代就有着“琥珀拾芥”的静电知识记载。

电力与引力不同，它有正、负两种。大小相等、性质相反的电荷可以彼此抵消。世界上一切不带电的物体，全是等量正负电荷的组合体。

最早探索静电力规律的，是18世纪一位军事工程师查理·库仑。库仑早年在西印度群岛服役9年，后因病退伍回家，这位工程师喜欢自己动手，擅长制作简单的仪器。

1777年，他发明了一种用细金属丝制成的扭秤，想用来测量以前无法测量的力。静电力到底服从什么规律？便是库仑测量的主要内容。这个实验，方法很简单。将电荷Q1放在左边，右边用细金属丝悬挂一个摆，带电荷Q2。Q1和Q2同性则相斥，异性则相吸。这时，Q2所受到的吸引力就跟一个钟摆受到地球的引力一样。大家知道，摆的周期与所受的力的平方根成反比：

根据这个原理，通过测量周期，就可以决定出这个力的大小。

从1784年开始，库仑在法国皇家科学院备忘录中，发表了一系列有关静电力测量结果的论文。他从许多数据中，归纳出静电规律：两个质点分别带电荷Q1、Q2，距离为R，那么，它们之间的作用力跟它们的电荷量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比。其公式为：

这就是人们认识电磁力的第一个基本定律——库仑定律。式中K表示一定量纲的比例常数，其值在真空中为8．987×109牛顿·米2／库仑2

不难看出，这个公式和万有引力公式十分相似，所不同的是，引力总是相互吸引，静电力却有正有负，表现为力有引有斥，再就是在强度上差异甚大，静电力要比引力强1036倍。

现在，我们来思考一个问题，为什么氢原子核外面只有一个电子呢？原来，这里就是库仑定律的规矩，大家熟悉，电场的强弱可以用电力线的疏密来描写。我们把穿过某一面积的电力线条数称为电通量。根据电力与距离平方成反比的库仑定律可以证明，对于一个包量等量正、负电荷体系的闭曲面，穿过它的电通量为零。也就是说，这种体系不可能把静电力漏到很远的地方去，从电学的性质讲，它是稳定的。氢原子的原子核中只有一个带正电的质子，所以外面只有一个带负电的电子才能组成稳态结构。其它各种元素无不如此。

倘使自然界的静电规律不符合库仑定律，哪怕是稍微有一点差异，例如，静电力不与距离的平方成反比，而是与距离的1．9次方成反比，那将会发生什么情况呢？此时，穿过包围氢原子闭曲面的电通量不再等于零，也就是说，有静电力线（流进闭曲面和流出闭曲面的电力线之差）穿过闭曲面，这说明静电力可以渗透到氢原子外面很远的地方去。大家可想而知，如果氢原子的电性真的发生了这种改变，它将影响到氢原子与其它原子的结合，由氢原子和氧原子结合的化合物——水的性质，也不知会变成一个什么样子？它显然再不会具有今天人们所熟知的性质了。所幸的是，这一切都不是真的，世界被库仑定律“统治”着，使我们在今天的世界上生活得很好。

二、法拉第和麦克斯韦

在自然界中，除了电力之外，还有一种和电力十分相似的力——磁力。磁石吸引铁的现象，也早为人们所熟悉。中国古代四大发明之一——指南针。

便是这种力的应用。磁力的大小，也是库仑通过实验测出的，并由高斯建立了它的定量单位制，故称高斯定律。它与库仑定律、万有引力定律的结构形式几乎没有区别。后来，丹麦物理学家奥斯特发现了电与磁之间的联系。他证明一根通电的导线，会绕着磁极旋转；反之，一个磁铁也有绕一根固定的导线旋转的趋势。

1825年，又有一位法国科学家安培，发现了电磁学的第三个基本定律——安培定律。他证明，通有电流的圆形圈，就像普通的磁铁那样，有吸引和排斥作用。根据这一发现，他认为磁体的微粒中，存在着很小的圆形电流。如果这些微粒的电流都在同一方向流动，即产生磁力。

19世纪前期，由于科学家们的努力，人类对电力知识的认识有了很大的进步。但是，对电力和磁力的最关键性的研究工作，是由法拉第和麦克斯韦来完成的。

在一些伟大科学家的经历中，很少有像米哈依尔·法拉第那样动人的。他不是名门子弟，也没有受过正规的中等教育，更谈不上念大学。他靠自己的勤奋好学和对自然科学的酷爱，更由于遇到了伯乐式的良师戴维，终于登上了科学的高峰。

19世纪20年代，法拉第在自己的研究笔记中，写着这样一句话：“把磁变为电”。这句话的分量，以及以后被他的实验所证实的伟大意义，是他自己当时怎么也估量不到的。在探索把磁变为电的道路上，开头几年，法拉第也屡遭失败，无论怎样调弄仪器，都无法用一块磁铁来产生电流，也无法用恒定电流通过线圈时产生的磁来形成电流。时间一年一年地过去，法拉第也在不间断地探索。1831年的一天，发生了这样一件偶然的事：当连接电池的开关突然断开的一瞬间，电流计的指针忽然偏转了一下。法拉第所追求的正是这一现象，这件事当然引起他的注意。他紧紧地抓住这个线索，反复地做了许多实验，终于发现了磁也能产生电力，条件是这个磁必须是动的。

发现了动磁产生电力之后，法拉第又非常形象地描写了电力和磁力是怎样从一个物体传递到另一个物体的。为了对这个现象进行解释，他引入了一个非常重要的概念——场。他认为，任何一个带电体，周围都存在着电场，任何一块磁铁的周围，也存在着磁场。电场和磁场就是电力和磁力的传递者。但是，电场与磁场之间倒底有什么关系呢？在19世纪前半个世纪中，物理学家们一直在思考着这个问题。正确解答出这个问题的是英国另一位杰出的物理学家詹姆士·麦克斯韦。

从1854年开始，麦克斯韦就致力于研究有关电力和磁力的理论。麦克斯韦的研究方向一开始就是很明确的。他要把法拉第等人的一些物理想法写成定量的数学公式。他对法拉第的贡献非常敬佩，整天研读法拉第的实验报告。经过多年的研究之后，麦克斯韦发现当他把四个定律的数学方程式表达出来之后，发现这些公式与他想达到的目的并不相容，彼此矛盾，不能统一电磁力。为了克服这个困难，麦克斯韦在电磁规律上加上一项电场随时间的变化。于是，整个方程就变得相容了，而且不违反法拉第和安培定律。

物理学发展到这里，标志着人类对电磁力的认识步入了一条新的坦途，也是整个物理学史上一个非常重要的发展。麦克斯韦的方程式告诉我们几个非常重要的结论：

（1）电和磁不可分割地出现在同一组基本方程组中，电力和磁力是统一力；

（2）变化的电场可以引起变化的磁场，变化的磁场又引起新的变化着的电场，这种电磁场在空间的传播叫电磁波；

（3）电磁波的性质，尤其是它的传播速度和光速完全相等。这一点不能不使人相信，光就是电磁波。

这些结论，是19世纪物理学中最伟大的发现之一。

弱　力

一、神秘的射线

1895年，德国的一位物理学家威廉·康德拉·伦琴发现置于真空放电管附近的密封底片，虽然没有暴露在光线下，但却变成了灰色。伦琴断定，放电管内一定存在着能穿透底片的“光线”。他抓住这一现象追踪下去，并将涂有铂氰酸钾磷光质的屏幕，置于放光管附近，屏幕闪闪发光。他又将金属厚片置于放电管和磷光屏中间，屏幕后便出现了金属的阴影。倘使再换上轻质的薄铅片或木片，屏幕几乎看不到这种阴影。当用这种射线来观察人体时，更为神奇的现象发生了：活龙活现的人体在屏幕后除剩下骷髅般的骨骼外，其他的一切都不见了。

无独有偶，继神秘的X射线发现之后，1896年，法国的亨利·贝克勒尔，想起了有一种天然铀盐矿石，经太阳曝晒之后，在暗室中观察，矿石会发出一种浅绿色的荧光。他为了考察新发现的X射线，将一块天然铀盐矿石放在一张用黑纸包起来的照相底片上，打算放在太阳下曝晒，看底片是否也会像X射线那样感光。十分不巧，天气阴雨，贝克勒尔只得把底片连同矿石一起锁在不见光的抽屉里，并无意地在底片上放了一把钥匙，许多天过去了，贝克勒尔灵机一动，不妨把这张底片也冲出来看看。又一桩神奇的现象出现了：底片早已感光了，还呈现出一把钥匙的清晰阴影。进一步考察表明，这种射线是一种新的、穿透力也很强的射线。

1900年，居里夫妇开始有系统地从元素、化合物、天然矿物中寻找这种效应。他们从沥青铀矿和其它几种含铀矿物中，发现了比钠盐更为活跃的元素。居里夫人和贝蒙特合作，从沥青铀矿中制取了放射性元素镭。另几位学者还发现了钋和锕。

这一连串的新奇发现，引起了科学家们的震惊和注意。原来，原子量很大的元素，几乎都具有放射性。经过一段研究之后，人们才弄清了放射出来的射线具有三种不同的成分：一种叫α射线，这是由两个质子和两个中子组成的、质量为氢原子质量四倍的正粒子流；一种是β射线，也就是贝克勒尔发现的射线，它其实就是一种电子流；还有一种射线叫γ射线，这是一种比X射线穿透力还要强得多的射线，它是一种不带电的光子流。

物理学家们开始把注意力集中到原子核内部。那些来自原子核深处的神秘射线显示出：物理学中尚有一块未被开恳的“处女地”。到底是什么力量把α、β、γ射线中的粒子从原子核内部抛出来的呢？直到20世纪30年代，人们对原子核内部有了一个初步了解之后，才发现了支配微观世界规律的，又有一种新的自然力。

二、费米的弱力理论

从19世纪末开始，人们的视野穿透到了另一个天地——微观世界。人们弄清了原子是由很小的原子核和绕核旋转的电子所组成。随后，人们又弄清了原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的。还搞清了它们之间的一些变化关系：中子发射一个电子就变成质子；质子又可发射一个正电子变成中子。表面看来，人们已弄清了一些新奇的、微观粒子的“换身术”。

中子→质子＋电子

质子→中子＋正电子

天然的β衰变，正是原子核内的中子放出电子，衰变成一个质子的现象。当人们想进一步弄清β衰变时，物理学竟在微观领域遇上了一场生死存亡的挑战。按照物理学中最重要的能量守恒定律，β衰变过程中，原子核内部中子衰变成质子而失去的能量，应该等于它所放出的电子带走的能量。然而，实验结果表明，电子所带走的能量，总比原子核应该放出的能量少得多。直接观测的β衰变过程表明，电子具有从零到某一上限的不同动能。这说明原子核所失去的能量并不恒等，有多有少。物理学家们为此提出了种种假设，但都无法解释这桩怪事。

正在这个紧要关头，在玻尔领导的哥本哈根理论物理研究所里，有位大胆的青年物理学家泡利，于1933年提出了一个崭新的理论：在微观世界，确实存在着一个“窃能贼”，把原子核内释放的一部分能量偷走了。泡利假设：它可能不带电，质量也非常小，同周围的相互作用力很弱，所以就不知不觉地从测量仪器下溜走了。

恩里科·费米紧紧抓住泡利关于“中微子”的假设，继续向纵深思索：如果中微子真的存在，那么，在原子核里出现的β放射性行为，就可以解释为这样一个道理：原子核中的中子在衰变成质子的过程中，不仅是放出一个电子，同时还放出一个中微子。这就是说，前面所讲的那种“换身术”不对，正确的方法应是：

中子→质子＋电子＋中微子

究竟是一种什么力促使这种变化呢？仔细分析，电磁力不可能产生这个过程，因为电磁力的传递者是光子，而在这种衰变中没有光子参加。费米作了一个大胆的尝试，他假定：从质子到中子的衰变过程，是由于自然界中某种新的力引起的。经过一番琢磨，费米得出了几个新颖奇特的结论：

（1）这个力要比电磁力弱10的11次方倍，但比万有引力要强得多；

（2）这个力只能发生在四个自旋为二分之一的基本粒子之间；

（3）这个力的作用力程非常短，几乎为零，即参与相互作用的粒子彼此一离开，力就迅速地消失了。

弱力没有本领把任何粒子束缚在一个较复杂的体系中，它只存在于一些粒子发生衰变和浮获的一瞬间，粒子之间一离开，弱力马上就消失。

人们认为自然界果真是存在着一种新的自然力——弱力。费米也因创立了弱力理论而闻名天下，他的理论得到了举世公认。

三、奇异的K介子

继1956年发现中微子之后，1957年人们又弄清了弱力还有一个奇怪的脾气。事情发生在一种叫K介子的基本粒子身上。1949年，科学家第一次在宇宙射线的照片中，看到一种奇异的粒子，四年之后，用强大的加速器又人为地获得了这种粒子，后来把它命名为K介子。K介子有四种，其中两种分别带正、负电荷，记作K±，另外两种不带电荷，记作K0。所以称K介子为奇异粒子，其原意是，这类粒子产生的时间非常短，约只有10－24秒；但平均寿命则一般在10－10秒以上，相对来讲又很长。

说起K介子之奇异，还有它另一段很不平凡的经历。1955年前后，围绕着奇异的K介子，物理学上发生了一桩大疑案，当时物理学家发现有两种K介子：一种衰变成两个π介子；一种衰变成三个π介子。为了区别它们，便将前者命名为θ介子，后者命名为τ介子。θ和τ介子除了衰变的差别之外，其它性质几乎一模一样。假如认为θ介子和τ介子是同一种粒子，只不过具有两种衰变方式，那么，就要动摇现代微观物理学中一条神圣的基本定律——宇称守恒定律。宇称守恒定律是关于微观粒子体系的运动或变化的、具有左右对称性的定律。微观粒子体系在发生某种变化过程时，如核反应、基本粒子的产生和衰变等，其变化前的总宇称（其值为＋1或－1）必须等于变化后的总宇称。其物理意义是：粒子体系和它的“镜像粒子”体系都遵从同样的运动变化规律。这条定律后来被李政道和杨振宁所打破，证实基本粒子的弱相互作用中，宇称并不守恒。

四、中间玻色子理论

在已经发现的自然力中，弱力是最独特的一种，费米理论在解释弱作用过程中，尽管得到成功；但他提出：弱力只发生在基本粒子直接接触的一霎那间。很多物理学家不喜欢弱力的这种脾气，他们总是致力于追求大自然的和谐统一。

20世纪50年代末，李政道、费曼和盖尔曼等人，提出了一种新的理论——荷电中间玻色子理论。这种理论的建立，在相当大的程度上是基于电磁理论的启发。从中间玻色子理论来看，弱力和电磁力之间，只要把“电荷”换成“弱荷”，把“电流”换成“弱流”，把传递电磁力的“光子”换成传弱递力的“中间玻色子”，就立即可以得到有关弱力理论的新概念。弱力被描写成交换一种叫中间荷电玻色（这种中间荷电玻色子记作W±粒子）的过程，根据测不准关系，作用力的力程与交换的粒子的质量成反比。（测不准关系即一个微观粒子和某些成对的物理不可能同时具有确定的数值，其中一个量愈确定，则另一个量的不确定程度就愈大。）电磁力和引力的作用力程为无限大，被交换的光子和猜想的引力子的质量为零。而弱力的作用力程如此之短（小于10－15厘米），那么，被交换的W±粒子的质量必然很大。理论计算出这种粒子的质量，约为质子质量的75倍，为几十亿电子伏。

正因为中间玻色子太重，现在的高能加速器很难把它产生出来，弱力的中间玻色理论，和费米理论一样，也可以用来解释基本粒子中的弱过程，并且很难区分哪一种理论更好些。

强　力

一、汤川的核力理论

从20世纪开始，物理学家搜集到越来越多的证据，说明原子并非构成我们这个宇宙的最小砖瓦。在原子内部，还有一个微妙而复杂的新世界，在原子的中央，有一个极小的、类似于太阳系中的太阳一般的东西，人们叫它为原子核。原子核的外围，有一些更微小的电子沿着复杂而恒定的轨道，绕原子核不停地高速旋转着，犹如行星绕太阳一般。原子核虽小，可它集中了原子核质量的99%以上。原子核的结构是由质子和中子两种粒子组成。物理学家把它们统称为核子，意即构成原子核的粒子。质子带正电荷，中子不带电荷。

那么，究意是什么力把质子和中子紧紧地箍在一起呢？究意是什么力量抵消了质子之间的巨大库仑斥力呢？这个神秘的力量就是原子核中的核力。直到20世纪30年代初，有关核力的问题依然是一个难解之谜。有一个名叫汤川秀树的日本青年，认真研究核力的奥秘。他终于发表了有意义的新见解，随后又为实验所证实，把这个难题之解大大向前推进了一步。起初汤川想，也许是电子在原子核中起作用吧！电子会像胶水一样，把质子和中子粘合在一起。他花了一年的时间，反复钻研这个问题，最后发现这种想法是错误的。汤川没有因此灰心，他想，既然此路不通，其中必有新的奥妙。屡屡失败，说明以往的习惯想法不足以解决问题，必须从一个全新的角度来考虑核力的起源。

汤川详细地分析了核力的性质之后，发现核力是过去还不曾认识到的、一种全新的自然力。它很强，足以把质子和中子牢牢地紧箍在一起。它的作用范围非常小，只限于原子核这样微小的空间范围内，所以在原子核外面感受不到核力的影响。

汤川紧紧盯住一种新的、未曾被人认识的自然力这一想法，继续探索下去。即然自然力都应该是交换某种量子而传递的，而已知的质子、中子、电子、中微子，都不可能作为传递核力的媒介，那么，这之中很可能隐藏着我们未曾发现的新粒子，在质子和中子之间进行交换，从而引起了胶合核子的作用。

这时，汤川的思想已从过去的失败中变得清晰了。他仿佛已经抓住了解开谜底的钥匙，继续向传递核力的机理思考下去：如果真的存在这种新粒子，那么它将有着怎样的性质呢？为此，他又辛勤地研究了一年光景，他模仿电磁力传递的机理，从数学分析入手，终于在1935年得出了物理学上又一个惊人的结论：

传递核力的这种新粒子没有自旋；它可以带电，也可以不带电，即与电荷无关；新粒子有质量，其质量大约在200～300个电子质量之间。汤川为他的预言的这种新粒子取了一个名子，叫“重量子”，因为它与传递电磁力的光量子相比，是很重的。后来，人们又把这种粒子叫“介子”，因为它的质量介于质子、中子和电子之间。在1935年底的日本数学物理学例会上，汤川宣读了自己的论文：《论基本粒子间的相互作用》。就在汤川提出介子理论不久，正巧物理学家玻尔来日本访问，他认为汤川的预言是不可靠的。就在汤川找不到权威物理学家支持自己论点的时候，已经有几位研究宇宙射线的物理学者，捕捉到了这类粒子的踪迹。有一位叫安德森的美国物理学家，观察了好几年宇宙射线穿透物质的性质，1937年，他果然在宇宙射线中发现了一种质量介于电子和质子之间的粒子。消息传开了，物理界极为振奋，看来汤川的理论是正确的。玻尔也以严谨的科学态度给汤川写信致歉。

但是安德森是否真发现了汤川所预言的介子呢？经过仔细分析原来是一场误会。人们本来期待着这种介子能传递核力，可它在核子中穿行根本不理睬千千万万的原子核，而是在经过一段行程之后，本身衰变成电子和中微子，犹如β衰变一般。这使汤川的理论面临着严峻的考验。

到了1942年，又有一位支持汤川理论的青年物理学家坂田昌一针对安德森发现的新粒子不传递核力的情况，进一步提出了两种介子的理论：安德森从宇宙射线中发现的新粒子，是几乎不与原子核发生作用的μ介子；大自然中一定还存在着一种传递核力的π介子。

时间又过去了漫长的五年，一位英国物理学家鲍威尔和他的同事，通过一种核乳胶技术，用气球悬置于大气层上空，侦察到了一种新粒子的径迹。这种粒子的质量为电子的273倍，它与原子核有很强的相互作用，恰好是汤川秀树所预言的粒子。

走过了一条曲折的道路，新的核力理论终于证实了。1949年，汤川秀树获得了诺贝尔物理学奖金。次年，鲍威尔也获得了这一荣誉。新粒子被命名为π介子，π介子起着质子和中子之间交换力的作用。人们还弄清了，10年前发现的μ介子是π介子衰变后的产物。

盖尔曼的预言核子并不是仅仅发生在质子和中子之间，有相当多的基本粒子在相互作用时，同样有这种很强的力显示出来，以致“核力”之称也显得词不达意了。

于是，物理学家们干脆采用了一个新的名称——强力，受强力作用的粒子，统称为强子。它是重子和介子的统称，占了基本粒子的绝大多数。

物理学家们在研究强力的理论方面碰到了非常大的困难，在研究强力的实验手段方面，困难同样是惊人的，因为强力很强，必须有很高能量的现代加速器，才能获得有关它的详细性质。这种庞大而复杂的设备，只有经济实力相当雄厚的大国，或者是许多国家联合起来才能筹建得起，建设周期也很长。在研究强力理论时，科学家们再也没有现成的宏观理论作向导了。在已知的重子、介子、轻子、光子四大类基本粒子中，听从强力召唤的，只有重子和介子。强力虽然强大，却管不着轻子和光子。强力的力程也很短，约为10－13厘米。在宏观世界里，它总是不露声色。到了微观世界，它却一手遮天，统辖着、影响着许多现象和过程。

面对着20世纪50年代高能加速器产生的、数量激增的基本粒子，使物理学者们手忙脚乱。应该怎样来对待这些“小家伙”呢？把他们放在什么位置呢？20世纪60年代初，敏锐的物理学家立即想到了化学元素周期表。对基本粒子能否像对化学元素那样进行周期分类呢？沿着这一思路，物理学家们发现，对于当时发现的一百多种基本粒子，粒子的质量，粒子的产生、相互作用和衰变等特性，都具有某种规律性。

1962年，在日内瓦的一次讨论会上，年仅31岁的美国加州大学教授盖尔曼，果然拿出了一张基本粒子的“周期表”。他把当时已发现的一百多种基本粒子分门别类，贴切地排列在规定的表格中。他还预言了一种叫Ω－的粒子。

他的预言引起了美国布鲁海文实验室的斯米欧博士的极大兴趣。那里不仅具有能量很高的加速器，还有一台刚完工的气泡室，具备寻找Ω－粒子的充分有利条件。斯米欧组织进行了实验的准备工作，114位专家成立的小组，共同参加了寻觅Ω－粒子的战斗。

经历了一年多的时间，到了1964年1月27日上午，终于传出了胜利的喜讯，在第97025张气泡室的照片上，找到了Ω－粒子衰变时留下的径迹。盖尔曼的预言获得了证实。

盖尔曼并没有被这一成就冲昏头脑，反而更加沉稳了。他到底还在想什么呢？原来，盖尔曼的那张表还有另外三个重要的位置空着。他在琢磨这三个位置应该由三种比基本粒子更深一个层次的亚粒子来占据。使人难以置信的是，这三种亚粒子，只有分别带有2／3、＋1／3、－1／3的单位电荷才能解释他所提出的新理论。他给自己预言的三个亚粒子取了一个一般词典上查不到的绰号——夸克。盖尔曼在这里借用了爱尔兰作家詹姆士·乔埃斯所著的《芬尼根的彻夜祭》中的一行诗：“如检阅者似的马克王（传说中的中世纪康威尔的国王），三声夸克！”夸克的意思是海鸟的叫声。这里借用了诗中的“三”字，来形容有三种夸克。

盖尔曼在一封信中进一步解释道：“现有的所有强子，都可以用这三种夸克，像积木一样拼凑起来。”

二、胶子的寻找

1973年，物理学家进行了用中微子来轰击核子的实验。实验结果又发生了一个预料不到的现象：出现了新的“窃能贼”。核子在被轰击的过程中，有一半的动量在反应中“失窃”了。物理学家从中微子偷窃能量的启发中，敏锐地看出问题所在，指出“窃能贼”可能是隐藏在强子里的一种新物质，它很可能与夸克胶合在一起。物理学家们给这种未发现的新粒子取名为——胶子。

1978年，在日本东京召开的国际高能物理会议上，有几位物理学家终于报告说，他们分析了中微子、电子与核子相互作用的实验数据，并经过周密的计算，完全证实了理论上预言的胶子对夸克的作用。

科学家们预言，在电子与正电子对撞时，只要能量足够大，就可以看到产生出来的强子是从三个粒子喷射出来的。这三个粒子中有两个夸克和一个胶子。正巧，1979年4月，在汉堡附近的西德电子同步加速器的实验中心，“佩特拉”正、负电子对撞机启动了。它可提供的最大总能量为380亿电子伏。足以用来观察胶子特有的喷注现象。为了寻找胶子，来自7个国家的三百多位研究人员，组成了几个实验小组，夜以继日地紧张工作着。丁肇中教授领导的，有中国科学院高能物理研究所二十多位科学工作者参加的小组，也是其中之一。

丁肇中教授一向重视探测器，因为它是物理学家的眼睛。他领导的小组，为这项实验特制了一架叫“马克—捷”的大型综合探测器，它由几百件各种类型的探测器、上千台电子仪器、几百台电子计算机组成。经过近四个月的反复实验和周密观察，他们找到了446起有价值的强子事例。在进一步作了大量分析、计算之后，断定这些强子是由两个夸克、一个胶子放出来的，除了丁肇中小组外，其它几个实验小组也发现了胶子存在的类似证据。科学家们找到了胶子存在的证据，意味着人类已开始进入到强子的内部。它标志着理论物理的研究又深入到一个新的层次。

胶子显灵，为人们认识强力的本质开辟了一条新途径，从夸克—胶子的观点看，强力也许是夸克与夸克之间交换胶子的结果，就像电磁力是交换光子，弱力是交换W±粒子一样。实验还表明，这种力也有个奇特的脾气：当两个夸克靠得很近时，这个力很弱，当两个夸克离开时，它们之间的力迅速增强。

既然强力是由夸克与夸克之间交换胶子来传递的，那么我们所讲的核力又是怎么一回事呢？这个问题物理学家们猜测：它也许是胶子所引起的强力在质子和中子外面的表现吧！

对四种自然力的认识，到此告一段落。但是自然力还有许许多多的不解之谜，等待人类继续探索。

第五种力

在现实生活中，鸡毛和铁块，哪个落得快，答案是清楚的。至于鸡毛为何比铁块下落得慢呢？人们解释说，这是由于地球周围存在着大气圈，鸡毛所受的浮力大于铁块。

如果在真空管中，鸡毛和铁块，哪个落得快，情况就不同了。当然，答案也是清楚的：鸡毛和铁块将同时落到底部。

至此，不同重量的两个物体究竟谁先落地似乎已明白无误了。

然而匈牙利的劳伦特·冯·富佛斯等在一次实验中发现：不同重量物体的下落时间略有不同。可当时这一发现却未引起人们的重视。

美国的朗格等对富佛斯的实验重新进行分析，他们发现：鸡毛和铁块的下落速度确实不同，而且鸡毛的下落速度要略大于铁块。请注意，现在是轻物要比重物下落得快，这又是什么原因呢？

朗格根据自己的实验及1891年以来有相当可靠程度的七组实验结果认为，在实验室尺度上，牛顿的引力平方反比定律和实验相比有一系统的偏差。这个偏差，可以表示为引力常数随距离的变化。

以后，对大量地球物理实验结果的分析证实了它的存在，并把它归结为存在一种不同于牛顿引力的新力，称之为第五种力。正是由于这种新力的暗中作梗，才使得鸡毛捷足先登。当然，第五种力的提出，毕竟还只是一种假说而已。

为了弄清这种新力的起源，以弗许贝克博士为首的一组美国物理学家，还重新分析了历史上著名的厄缶的质量等价实验。

我们知道，质量有两个定义，一个反映惯性的大小，叫惯性质量，以符号m惯表示，根据的是牛顿第二定律：

F＝m惯·a

式中，a为力F作用下的物体的加速度。

另一个反映引力的大小，叫引力质量，以符号M引表示，根据的是万有引力定律：

式中，G为引力常数，m与R分别为地球的质量与半径，F为物体所受地球的引力。

对于地面上的自由落体运动，应有

这两个定义不同的质量，是否有一定的比例关系。通过实验证明，它们之间有严格的比例关系。

最早的证明就是伽利略的自由落体实验，可得：

其次，牛顿提出三大运动定律和万有引力定律，也必然碰到两种质量的关系问题。他用不同材料充当单摆的摆锤，进行比较它们的摆动周期的实验，亦可得：

但是，从实验方法来说，不论是自由落体实验，还是单摆实验，测量精度都不高。因为这两种实验都是动态的，涉及位置和状态的变化，还会受其它因素，例如，空气阻力的干扰。

于是，匈牙利的厄缶设计了更为精确的质量等价实验。他采用扭秤方法，把动态实验改为静态实验，直接比较两个物体的惯性质量和引力质量，从而大大地提高了实验精度。

一根横杆悬挂在细线下，横杆两端对称地固定着材料不同、但质量相同的重物A和B。这两种重物都会受到重力m引·g和地球自转造成的离心力m惯ω2　Rcosφ的作用，其中ω是地球自转的角速度，φ是地理纬度。如果惯性质量与引力质量等价，则两重物所受离心力相等，力矩互相抵消，扭秤维持平衡。

如果惯性质量与引力质量不成正比，则扭秤失去平衡，而使悬丝扭转。

那么，如何测定悬丝扭转呢？厄缶用望远镜对准悬丝上挂着的小反射镜，观察望远镜上方的短刻度标尺，从而测量偏转角。为了避免系统误差，厄缶还将横杆转180°，换一个方向测量。

如此精确系统的测量，1889年厄缶得到的第一次结果，实验精度达η≤5×10－8。1980年得到第二次结果，η＝3×10－9，后一结果直到厄缶死后三年才正式发表。

细心的弗许贝克认为，厄缶当年列出不同材料引力加速度的极微小差别也许不是实验误差，有可能是真实效应。也就是说，对于真空的自由落体，轻物下落快、重物下落慢，过去把它归咎于实验中偶然出现的一种干扰，可是弗许贝克等却不轻易放过这一反常现象。

他们认为，在真空中，轻物（比如鸡毛）之所以比重物（比如铁块）下落快，正是因为对物体起作用的不仅是重力，另外还有一个较小的排斥力，弗许贝克等称其为“超电荷力”，也就是第五种力，它与两个物体之间的引力方向相反，并使不同结构和质量的物体产生稍微不同的加速度。

从本质上讲，自然界所存在的多种类型的力，都可归结为四种基本相互作用。那就是引力作用、电磁作用、强相互作用、弱相互作用。

我们现在所观察到的宇宙，其尺度约为150～200亿光年。宇宙中的一切物体都是由一种看不到的力量在主宰着，那就是引力作用。但是它在强度上是四种基本相互作用中最弱的一种。

电磁作用是带电粒子与电磁场的相互作用以及带电粒子之间通过电磁场传递的相互作用。在强度上它次于强相互作用而居于四种基本相互作用的第二位。电磁力和万有引力一样是宇宙中普遍存在的一种长程力。

主宰着微观世界的是强相互作用和弱相互作用。强相互作用是使核子结合成原子核的作用。在强度上它是四种基本相互作用中最强的一种。它不像万有引力和电磁力那样是长程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程长，约为10－13cm。大约等于原子核中核子间的距离。

弱相互作用是存在于原子核内部的一种相互作用。在强度上它次于强相互作用和电磁作用之后居于四种基本相互作用的第三位。它也是一种短程力，力程约为10－15cm，比原子核的半径还小两个数量级。因此，这种力在极短距离内起作用，尽管如此，它在自然界中却扮演着相当重要的角色。没有它，太阳和许多恒星就会熄灭，无法产生由氢形成氦的持续聚变。

这样，四种强度悬殊、性质各异的基本力，完全控制了我们的宇宙。不过，物理学家们早就怀疑这四种力在宇宙混沌初开的某一阶段可能原来是一种作用力，后来随着宇宙的演化而各自成家了。

长期以来，不少物理学家就致力于这四种基本力的统一工作，以还其庐山真面目。1967年温伯格和萨拉姆成功地把电磁作用和弱相互作用统一起来，建立弱电统一理论。

目前，物理学家们正乘胜出击，致力于建立所谓大统一理论，把电磁作用、弱相互作用和强相互作用三种基本力统一在一起，以及更进一步地建立起大统一理论，把所有四种基本力统一起来。

由于自然界的四种基本力是决定所有物质运动及其运动状态的依据。现在有可能存在第五种基本力，自然引起物理学界的极大兴趣。

然而，第五种力是否真正存在，首先是一个实验问题。所以近年来，人们在实验室里、矿井中、电视塔上、悬崖旁、海底下做了大量实验，设计了许多精密仪器，以便证实或否定它的存在。探测第五种力的实验大致可以分成下列三类。

第一类实验是把地球作为引力源，测量离地心不同距离处重力加速度的变化，以此和按牛顿平方反比定律算得的理论值相比较。例如，墨西哥湾1100平方千米范围内海底海面的703个重力数据；澳大利亚西北昆士兰14000个钻孔提供的地层及重力数据等。

第二类实验是测量同一引力源（如大崖岩石）对质量相同而成分不同的物体的引力作用差别。例如美国布鲁海文国家实验室的新型加速度仪，实验中浸在水中的悬浮铜球壳（内充满水），在高出哈得逊河161米的崖壁的作用下，测其加速度，分析铜与水所受到的作用力大小。

第三类实验测量反物质——用的是反质子和正电子——在地球引力作用下的加速度，如果存在与重子数和轻子数相关的第五种力，则其加速度将和质子、电子的不同。实验计划已获得批准，但还未取得结果。

显然，理论认识是否正确，最后要经过实验的检验。尽管目前第五种力的存在的探索实验多种多样，但要真正证实第五种力的存在，尚需做更多、更精密的实验才能做出最终结论。