作者：税正伟
出版社：石油工业出版社
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物理学发展与结构图像试读：
前言
物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及其转化规律的一门基础自然科学。古希腊人把所有对自然界的观察和思考，笼统地包含在一门学问里，那就是自然哲学，并将它科学地分化为天文学、力学、物理学、化学、生物学、地质学等。从1687年牛顿出版《自然哲学的数学原理》一书开始，物理学真正成为一门精密的科学。物理学描绘了物质世界的一幅完整的图像，它揭示出各种运动形态的相互联系与相互转化，充分体现了世界的物质性与物质世界的统一性。物理学的发展与人类对自然的认识过程紧密相伴，在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活，是人类文明发展的基石。
世界上的每一个人都应对我们生存的物质世界有一个正确的认识，这就需要具备一定的物理知识和科学素养，它不仅表现为掌握一定的物理学知识，更重要的是具有一定的通过观察现象、摸索规律、弄清本质的科学方法以及探索研究的意识、能力和水平，具有踏实、严谨、尊重科学、勇于创新的精神，形成正确的世界观、价值观和思想方法。
传统的普通物理书籍，多是针对中学理科生和理工科大学生、物理类专业大学生的物理课程编写，几乎都是按照力学、电磁学、热学、光学、近代物理的框架体系编写。国内外也有不少物理科普书籍，涉及物理与科技、物理与生活、物理学史、物理科幻等方面，但多数书籍侧重于物理学与现代科学技术方面进行介绍。
本书通过物质描述、物质间相互作用、物质基本运动规律、物理与社会四个部分，介绍了从经典物理学到近代物理学的主要成就和进展，讲述物理概念、物理规律含义和物理规律建立过程，从自然现象到物理规律，打破传统的力学、电磁学、热学、光学、近代物理的框架体系，从另一个角度把握物理学的发展过程和结构图像，使读者在得到物理知识科学教育的同时，受到科学精神和踏实、严谨、尊重科学、勇于创新的科学方法教育，提高探索、研究、创新的科学素质。
本书的编著，得到了陈代珣等老师的大力支持和帮助，同时借鉴、参考了国内外的许多书籍，有的并未列入本书参考文献，对于这些书籍的作者，特别致以谢意。
由于编者水平有限，书中难免存在缺点和问题，望读者给予批评和指正。编者2018年6月第1部分 物质描述
世界是由物质构成的，物质是不依赖于人的意识而又能为人的意识所反映的客观存在。物质为构成宇宙间一切物体的实物和场，运动是物质的根本属性，时间和空间则是运动着的物质的存在形式。物质的种类形态万千，物质的性质多种多样，物质都能够被观测，物质都具有质量和能量。
物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。作为自然科学的带头学科，物理学研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律，因此成为其他各自然科学学科的研究基础。它的理论结构充分地运用数学作为自己的工作语言，以实验作为检验理论正确性的唯一标准，它是当今最精密的一门自然科学学科。1 物质描述——定性思维到定量描述1.1 物质世界的尺度
物理学是一门定量的学科，它既研究人们身边发生的物理现象，也研究宇宙天体的运动及构造，还研究微观领域中物质的运动规律。在研究和学习物理学时，需要常常对各种事物做粗略的数量级估计，留心查看尺度大小的变化所产生的物理效应，因而对各类物理量的数量级的了解是非常必要的。1.1.1 科学记数法
把一个物理量的数值写成一个小于10的数字乘以10的幂次，用10的正幂次代表大数，用10的负幂次代表小数。这种记数方法叫科学记数法。
在科学记数法中幂指数相差1，即代表数目大10倍或小10倍，这叫作一个“数量级”。表1.1.1给出国际单位制中表示数量的词头。表1.1.1 国际单位制中表示数量的词头1.1.2 空间尺度
人类选择了与自身大小相适应的“米”作为长度的基本单位，用m表示。从物理研究对象所涉及的物质世界的空间尺度来看，最大的26尺度是宇宙，大约为10m（约150亿光年）；最小的尺度是夸克，大－18约10m，空间的尺度跨越了44个数量级。表1.1.2列出了物质世界中部分实物空间尺度的数量级。表1.1.2 物质世界的空间尺度
太阳与地球的距离是地球半径的两万多倍，定义为1天文单位11（Au），精确值为1Au=1.49597892×10m。太阳系的直径约为80天文13单位，即10m的数量级。太阳系外的天体距离通常用“光年”（light year）表示，即光在一年里所走的距离，大小为：15161光年=9.460530×10m≈10m
现代天文观测表明，星系普遍存在光谱红移现象，说明宇宙处在10膨胀过程中，从宇宙诞生到现在，宇宙延展了10光年以上，即2610m以上。太阳系是银河系中很小一部分，银河系的直径约为7.5×4510光年，离银河系最近的星系（小麦哲伦云）的距离约为1.5×10光21年（即1.5×10m）。人类能观测的距离极限——哈勃空间望远镜的26观测半径是10m。现在宇宙中存在着1000亿个以上的星系，银河系是其中之一，我们的太阳是组成银河系的大约2000亿颗恒星之一，太阳系只是宇宙中的沧海一粟。
物质可以小到什么程度，《庄子·天下篇》中说“一尺之棰（即木棍），日取其半，万世不竭”，说的是物质世界向小的方向可以无限分割下去。现代物理学告诉我们宏观物体是由各种分子原子组成的，－10原子的大小为10m数量级。原子核由质子和中子组成，每个质子－15和中子的大小约为10m，大概是原子大小的1/100000。原子核比质子或中子大的倍数取决于原子核中包含多少个质子和中子。但是，－15原子核比10m仍大不了多少。质子和中子又由更为基本的粒子——夸克（quark）组成。目前物理学公认的组成物质的最小单元是－18夸克和电子。用间接的方法得知，夸克和电子的大小小于10m。
物理学按照空间的尺度把物质世界分为“宇观体系”“宏观体系”和“微观体系”（图1.1.1）。从大尺度探索宇宙的奥秘叫作“宇观体系”，相应的物理学是“天体物理学”；将大小在人体尺度上下几个数量级范围之内的客体叫作“宏观体系”；在物理学上把原子尺度和小于原子尺度的客体叫作“微观体系”，从小尺度探索物质的组成，相应的物理学是“粒子物理学”。8
宏观尺度比微观尺度大七八个数量级，按体积算，则要大（10）324=10，即宏观系统中包含了非常多的微观系统。微观系统与宏观系统最重要的区别是它们服从的物理规律不同，如低速运动的宏观系统服从牛顿运动定律，而微观系统则要用量子力学来处理。在现代科技中，人们已能制作长度在微米（μm）、线宽在纳米（nm）数量级的8微电子器件。在这种尺度的样品中包含的原子数目的数量级为10～1110，基本属于宏观范围，但它要表现出微观系统的量子效应，因此将这种呈现出微观特征的宏观系统，叫“介观体系”。图1.1.1 空间尺度与物理学体系1.1.3 时间尺度
时间表征物质运动的持续性，最长的时间是宇宙的年龄，约18－2710s（即150亿年）；最小的时间间隔是硬γ射线的周期，约10s，时间尺度也跨越约46个数量级。人类研究所涉及的物质世界的时间尺度见表1.1.3。表1.1.3 物质世界的时间尺度9
由现代的标准宇宙模型知，宇宙是在大约15×10年前由“无”中18大爆炸诞生的，即宇宙的年龄具有10s的数量级。银河系大约在12×910年前诞生，现在是一个直径约为10万光年的巨型涡旋星系。太阳9917的年龄约5×10年，地球的年龄为4.6×10年（即10s数量级）。地球816诞生后，距今（7～8）×10年（10s）前形成了富氧的大气层；大8715约距今4×10年前出现鱼类和陆生植物；约6.7×10年（10s）前恐龙614绝灭，哺乳类出现；古人类出现在距今（2.5～4）×10年（10s）前；11人类的文明史只有5000年（10s）；人的寿命通常不到100年97（10s）；地球公转的周期为一年（约3×10s），自转的周期为一天451（8.64×10≈10s）；百米赛跑的世界纪录具有10s的数量级；钟摆的0－2周期是10=1s；市电的周期为2×10s。
在微观世界的常见粒子中，光子、质子、中子是稳定的，质子的393寿命约为10s，中子的寿命约为15min（约10s）。μ子寿命的数量级－6－20为10s，……按量子力学中的海森堡不确定关系，寿命长于10s的粒子都算是相当稳定的。
凡已知其运动规律的物理过程，都可以用来作时间的计量。通常采用能够重复的周期现象来计量时间，如地球的公转和自转，月球绕地球的公转，摆的周期运动等。随着人类对微观世界认识的深入，以及微波技术的发展，现已利用某些分子或原子的固有振动频率作为时间的计量基准。1967年第13届国际计量大会决定采用铯原子钟作为新的时间计量基准，定义1s的长度等于与铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁相对应的辐射周期的9192631770倍。铯原子钟测量－11－12准确度达10～10s。1.1.4 温度
温度（temperature）在宏观上反映了物体的冷热程度，在微观上反映了组成物体的分子的无规则运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标，它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。国际单位为热力学温标（K）。目前国际上用得较多的其他温标有华氏温标（）、摄氏温标（℃）和国际实用温标。39
100多亿年前宇宙在大爆炸中诞生时，它的温度在10K以上；随94着宇宙膨胀，它急剧冷却，几分钟后温度降到10K，宇宙中He核出现；几十万年以后温度降到4000K，原子出现，宇宙变得透明；今天宇宙的温度已冷却到2.735K（微波背景辐射的温度）。温度变化如图1.1.2所示。图1.1.2 温度变化7
太阳中心的温度是10K，是热核聚变所需的起码温度。太阳表面3的温度是6000K，难熔金属的熔点略低于此，但都在10K数量级。地球表面的平均温度为15℃，即288K左右。在一个大气压下，氧、氮、氢、氦的液化温度分别为90K、77K、20K、4K。当代科学实验8－8室里能产生的最高温度是10K，最低温度是2×10K，跨越了16个数量级。
作为生命之源的液态水，只存在于273～373K狭窄温区内。人类生活环境的温度在300K上下几十度（20～30℃）。若由于大气中的2CO含量增加而产生的温室效应使平均气温升高3℃的话，海平面将上涨2～5m，可造成农业减产25%，将使十亿人背井离乡。在地球发展史上多次出现了冰河期，平均温度仅降至10℃左右，就使大批物种灭绝。我们生存的家园——地球生物圈，在温度变化面前是何等的脆弱！
从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。1.1.5 质量
质量（mass）是物体所具有的一种物理属性，是物质的量的量度，它是一个正的标量。质量是物理学中的基本量纲之一，符号为m；在国际单位制中，质量的基本单位是千克（符号为kg）。实验室中天平是测质量的常用工具。
质量是物理学中的一个基本概念，它的含义和内容随着科学的发展而不断清晰和充实。在现代物理学中质量的概念有两种：惯性质量和引力质量，惯性质量表示的是物体惯性大小的度量，而引力质量表示的是物质引力相互作用的能力的度量。自然界中的任何物质既有惯性质量又有引力质量，无数精确的实验表明，同一物体的这两个质量严格相等，是同一个物理量的不同表征。
生活中所说的质量，是指物体含有物质的多少，是弗兰西斯·培根在1620年出版的《新工具》一书中提出的。牛顿在《自然哲学之数学原理》一书中明确定义为物体的静质量。牛顿同时在该书中引入了惯性质量的概念，根据牛顿第一定律、牛顿第二定律的定义和解释，表面“惯性质量”的定义与“物质的多少”这一关于质量的概念是一致的。
质量是物体惯性大小的量度。在近代物理学中质量的概念有了进一步的发展，狭义相对论揭示了质量与速度、质量与能量的关系，只是在速度甚小于真空中的光速时，运动物体的质量才等于它在静止时的质量。表1.1.4给出了部分物质质量的数量级。表1.1.4 部分物质质量的数量级
物理学研究的对象就是客观物质世界，因此一切物理量都应该是物质的量。例如，微观粒子的质量、自旋、宇称、电荷、重子数、轻子数等都是物质的量，它们分别表征了粒子的惯性和参与不同相互作用的性质。一种粒子的物质的量可以认为是所有这些物理量的总称，在这个意义上，物质的量同每一种具体的物理量，是一般和个别的关系。而在另一种意义上，还存在一种不反映任何具体的物质属性的纯粹抽象的物质的量，它是一种纯粹的数量，只反映了这种物质对象存在的多少。
现代科学中的物质的量是指以摩尔（mol）为单位表示的粒子数，1mol的粒子数其测量值为阿伏加德罗常数。用摩尔数来描写是抛开了一切具体的物质属性而只反映其粒子数目，所以，以kg为单位的质量与以mol为单位的物质的量是两个不同的概念。1.1.6 物理常数
物理常数可分为两类，一类与物性有关，如电导率、电阻率、折射率、导热系数、比热等，它们表征了物质的固有特性，称为物质（性）常数；另一类与具体的物质特性无关，是普遍适用于大自然的，如真空中的光速、基本电荷量、普朗克常数、引力常数、摩尔气体常数等，常将其称为基本物理常数。
基本物理常数出现在物理学一系列定律和理论中，是物理学的分支框架中不可缺少的关节点，对它们的精确测定是非常重要的。随着科学技术水平的提高，基本物理常数的测定也越来越精确。
20世纪物理学理论革命的标志，是相对论和量子论的诞生，这两个理论各自提出了宇宙间一个不可逾越的基本物理常数。相对论提出，真空中光速c是一切物体和信号不可超越的最大速度；量子论提出，普朗克常量h是不可分割的最小作用量子。而e和G是标志电磁力和引力相互作用的基本常数，e是不可分割的最小电荷电量，是一个电子（或质子）所具有的电量，任何带电体的电量都是e的整倍数。A阿伏加德罗常数N是联系物理微观单位和宏观单位的重要换算系数，它表示1mol的任何物质所含分子数。若要问基本物理常数为什么具有这样的数值，特别是数量级，现在还法确切回答。可能随着人们对宇宙、对自己生存的大自然的认识的深入，将进一步揭开这些谜！表1.1.5给出了部分重要的基本常数推荐值。表1.1.5 部分重要基本常数推荐值续表1.2 物质存在的基本形式与状态1.2.1 物质存在的基本形式
物质存在有两种基本形式：场和粒子。
在物理学的发展过程中，最初人们认为微粒是物质存在的基本形式，微粒的空间占有一定的有限体积。为了描述微粒之间的相互作用，人们引进了“场”（field）的概念，例如电磁场和引力场等。随着科学技术的发展，人们逐渐发现，场与微粒一样具有能量和动量，也具有不连续的微观结构。因此，人们就把微粒和场看成物质存在的两种基本形式。现在，量子场论则明确指出：物质存在的两种基本形式中，场是更基本的。
量子场论所给出的新的基本物理图像是：与每种粒子（particle）相对应存在一种场，场具有可入性，充满全空间，不同粒子的场在空间中互相重叠地充满全空间。例如，与光子相对应存在电磁场，与电子相对应存在电子场，等等，它们同时存在于全空间。
场具有不同的能量状态，能量最低态称为基态，除此之外称为激发态。当一种场处于基态时，这种场就不会通过状态的变化释放能量而输出信号，从而不会显现出直接的物理效应，这时表现为看不到对应粒子的存在。按照这种的观点，当所有的场都处于基态时，任何一个场都不可能给出信号显现出粒子，这时就是物理上的真空。因此，真空并不是真的空无一物。真空态时，全空间仍充满各种场，只是所有的场都处于能量基态而不可能表现出任何释放能量的物理效应。
当场处于激发态时，表现为出现相应的粒子（产生一种粒子），如光子是电磁场的激发态。场的不同激发态表现为粒子的数目和运动状态不同。在量子场论中，场和场的激发态都用复数描写，互为复共轭的两种激发状态表现为粒子和反粒子（antiparticle）互换的两种物理状态，粒子之间的相互作用来自场之间的相互作用。所以，物质存在的两种基本形式中，场更基本，粒子只是场的激发态的表现。
当代物理学研究表明，物质的组成结构在尺度上和能量上呈现不同的层次，如图1.2.1所示。图1.2.1 物质组成的层次
各种相互作用则存在于场之间，无论是处于基态还是处于激发态的场，都可以与其他的场相互作用。不同的粒子参与不同的相互作用，按它们参与的主要相互作用，可将基本粒子分为三类。
第一类是传递力的粒子。按照量子场论。基本相互作用是通过在相互作用着的粒子之间交换某种粒子来传递的，这些粒子统称为规范玻色子（gauge boson）。光子（photon）是传递电磁相互作用的媒＋－0介粒子，静止质量为0，自旋为1。1983年发现的W、W和Z三种中间玻色子（intermediate boson）是传递弱相互作用的媒介粒子，它们的质量极大，自旋为1。量子色动力学预言，传递强相互作用的原始媒介粒子是8种胶子，它们在复合粒子——强子内部夸克之间所传递的原始相互作用称为色相互作用。实验上已经得到胶子存在的证据（是间接的实验证据）。与光子一样，胶子的静止质量为0，自旋为1。但鉴于夸克禁闭，色相互作用的距离不超过强子的尺度。在实验室所观测到的在强子之间的所谓相互作用是色相互作用的剩余相互作用。理论预言，传递引力相互作用的媒介粒子是引力子，其静止质量为0，自旋为2。但是，迄今为止在实验上还没有发现引力子。
第二类是轻子。电子、 μ子、τ子及相应的中微子都是轻子。轻子都是费米子。轻子只参与弱相互作用和电磁相互作用，不受强力影响，其中中微子只参与弱相互作用，带电的还参与电磁相互作用；轻子必定以粒子—反粒子对的形式产生和湮灭，总的轻子数（轻子的数目减去反轻子的数目）在一切过程中是保持不变。已知的轻子有六种，它们成对出现，每一对包括一个荷电轻子和一个中性轻子，这个中性轻子称为中微子。每一对称为一代，而且每一代中的中微子质量都比相应的荷电轻子的质量小得多。只有成对的轻子之间才发生相互作用。表1.2.1给出了六种轻子的成对排列。表1.2.1 已知六种轻子的成对排列
第三类基本粒子是强子。一切参与强相互作用的粒子统称强子，它们之间的主要作用是强相互作用（也参与弱相互作用，带电的或中性带磁矩的强子还参与电磁相互作用）。根据粒子的自旋，强子分为重子和介子。重子是强子中的费米子，分为质子、中子和超子（质量超过核子的重子）；介子是强子中的玻色子，是传递核力的粒子，包括π介子、K介子、D介子等以及它们的反粒子。
新的发现证明，强子不是基本粒子，而是亚核粒子。强子还有内部结构，高能物理实验证实它是由几种被称为夸克（国内也叫层子）的更基本的（简单的）粒子所构成。已发现夸克有6种，且各有自己的反夸克。6种夸克的最基本性质见表1.2.2。表1.2.2 6种夸克的最基本性质
由于人们在粒子物理实验中从来没有观察到自由夸克，这就意味着夸克之间的作用必定超乎寻常的强，永远被囚禁。这称为夸克禁闭。
每一种基本粒子都有反粒子，一般来说，反粒子的质量、寿命、自旋三项与粒子是相同的，只有电荷的符号相反。但是，也有几种中eμ0性粒子（如中微子v、v和K介子）和它们的反粒子不是相同的粒子。00π、η、η′的反粒子就是它们本身，没有区别。在碰撞过程中，粒子和它们的反粒子湮灭成了能量（以光子形式出现）。两个高能粒子相碰撞时，有可能产生新的正反粒子对，这时一部分碰撞能量转换成了正反粒子对的能量。1.2.2 物质存在的状态
要认识物质存在的状态，首先要了解物质的基本微观结构层次及各层次的粒子运动。“一尺之棰，月取其半，万世不竭”，实体物质由分子组成，分子由原子组成。到2017年为止，化学上已发现119种元素，数千种同位素。而原子呢，在化学反应里是不能再分的微粒，但在物理学里，却是可分的。原子由带正电的原子核和绕核运转的若干带负电的电子组成。电子做两种运动：绕核公转和自旋运动，电子很小，其线度小于－1810m，带一个负电荷，尚未发现有任何结构，是基本粒子。而原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子，核子有结构，由夸克组成。
近代物理告诉我们，处于各个层次的物理微粒，都在一定的范围内运动变化着，对应着一定的能量和相互作用。研究这些层次的科学分别叫固体物理学、分子物理学、原子物理学、核物理学、粒子物理学等，使用的探测仪器有各种计数器、正比室、云雾室、气泡室、质谱仪等，还有现代物理实验必备的加速器和对撞机。
自然界物质的存在状态中，除了常见的固态、液态、气态外，还有以下几种形态：（1）等离子态。等离子态就是在一定的条件下，将原子核外的电子全部剥离，成为赤裸裸的核与游离态电子的共存体。例如，在研8究受控热核聚变时，氘在10K时，就成了等离子态。宇宙中的大多数可见物质都处在等离子态。（2）超固态。最早发现的超固态是天狼星的伴星，这是恒星演化到后期，中子简并压与引力压平衡，影响核外电子的活动范围从－8－1510m缩小到10m，原子塌缩到原子核的线度，形成了致密天体，天文学上叫白矮星。这种物质的密度远远超过了固态物质的密度，故叫超固态。（3）超密态。1967年天文观察发现一种奇特的新天体，它以极其精确的时间间隔发出极规则而又短促的无线电脉冲信号。最初人们以为是天上有文明的生物向地球发来的电报，所以曾一度把这种信号源叫作“小绿人”。后来经过科学研究才知道，发射这种信号的并不是什么“小绿人”，而是一种星体，天文学上叫它为脉冲星。现在已发现脉冲星的物理特征是质量和太阳相当，体积却很小，直径为20km左右，因此，密度极高，每立方厘米有2亿多吨；它的辐射能极大，是太阳的100万倍。现代科学认为，脉冲星是一种高速自转的中子星，脉冲周期即自旋周期。中子星有固定的亮斑，旋转一周，亮斑发出的光束就传出一个脉冲信号，这就是它呈现脉冲现象的原因。中子星是由质量大于太阳质量的恒星演化到后期，热核反应已经停止，能源接近枯竭，发生猛烈爆发形成的。因为恒星猛烈爆发后的急剧收缩，使恒星内部产生了极大的挤压力，把原子外层的电子“挤到”原子核里去了。整个星体则变成中子星了。这种中子态脉冲星，具有很强的磁场，20世纪30年代最先由苏联的朗道以猜测形式提出，美国的奥本海默曾经做出理论预言，但遭到人们的嘲讽，到70年代，英国的休伊斯发现脉冲星，一时轰动世界。（4）场。场是一种物质形态。例如引力场，我们抛出一个物体总会落到地面，因为它受到引力场的作用。引力场具有能量，可以做功，说明引力场具有物质的基本特性，而且能为我们所感知。同样，电磁场、原子核场等都是物质的一种形态。这就是所谓的场物质。场物质和实体物质比较，有能量、动量，但没有质量大量集中的表现。所以，有人说它是特殊物质。对这些物质的认识，是通过光和电信号探测到并认识，这些物质可称为明物质。（5）真空态。（6）暗物质。据天体物理学家对引力束缚系统的研究推算，宇宙中存在着大量的不发光的或发极微弱光的物质，科学家们称其为暗物质。1978年，射电天文学家证实在星系团周围存在着大量不发光的物质。1983年，英国天文学家霍金斯发现银河系及其周围可能存在着大量的暗物质。1.3 物质间的基本相互作用
物质聚集起来，从微观粒子到巨大的星体，从细菌到人，自然界这些奥妙无穷、千变万化的物理现象都是怎样发生的？在原理上，我们可以用相互作用（interaction）这个概念来回答，即决定物质的结构和变化过程的基本的相互作用。20世纪物理学的重大成就之一就是人们已经认识到物质世界千变万化的现象，归根到底是通过四种基本相互作用（fundamental interaction）而产生的：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用，见表1.3.1。近代物理的观点倾向于认为四种基本相互作用是统一的，物理学家正在为建立大统一理论、超统一理论而努力。表1.3.1 四种基本相互作用1.3.1 引力相互作用
引力相互作用（gravitational interaction）指自然界中任何两个具有质量的物体之间存在的相互作用，表现为吸引力，是一种长程力，力程为无穷，它的规律由牛顿发现，称为万有引力定律，满足公式：－1122其中，G表示万有引力常数，数值为6.67×10N·m/kg。由于G很小，因此对于通常大小的物体，它们之间的引力非常微弱，一般物体之间存在的万有引力常可忽略不计。地面上物体之间的相互作用力非常小，－7例如相隔1m的两个人之间的引力约为10N，对人的活动不会产生影响。
随着尺度和质量的增加，引力相互作用逐渐成为占支配地位的相互作用。万有引力的性质和其作用只有通过巨大的星体，在质量巨大的空间中运动，才能够比较明显地显示出来。由于地球质量非常大，地球上的物体明显受到地球引力。
引力相互作用是已知的相互作用中最弱的一种，但是同时又是作用范围最大的（不会如电磁力一般相互抵消）。在现今研究的粒子现象中，引力可以忽略不计；然而它在宇宙的构造和演化过程中却起了主要的作用，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（如行星的公转）；还有一些生活常识（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）。
1915年，阿尔伯特·爱因斯坦完成了广义相对论，将引力用一种更精确的方式描述——时空几何，并指出引力是空间与时间弯曲的一种影响。如今，一个活跃的领域正致力于用一个使用范围更广的理论来统一广义相对论和量子力学——大统一理论。在量子力学中，引力作用是通过场或通过交换场的量子实现的，引力场的量子称为引力子，引力子仍是假想粒子，目前还没有被观测到。1.3.2 电磁相互作用
电磁相互作用（electromagnetic interaction）指带电物体或具有磁矩物体之间的相互作用，是一种长程力，力程为无穷，其强度仅次于强相互作用，居四种基本相互作用的第二位。两静止的带电体之间的相互作用力由库仑定律支配，满足公式：
点电荷之间的库仑力比万有引力要大得多。例如两相邻质子之间2－3436的电场力可达到10N，是它们之间的万有引力（10N）的10倍。运动电荷之间的作用除了有电力相互作用外，还有磁力相互作用，磁力和电力具有同一本源，统称为电磁力。
电磁相互作用是发生在荷电粒子之间的长程相互作用力，它使原子核和电子能够聚集在一起而形成原子。中性原子和分子之间也有相互作用，这是因为虽然每个分子或原子的正负电荷数值相等，但是它们内部正负电荷有一定的分布，对外部电荷的作用并没有完全抵消，所以仍显示出电磁力的作用。中性分子或者原子之间的电磁力可以说是一种残余的电磁力。日常提到的相互接触的物质之间的弹性力、摩擦力、流体阻力、拉力、支撑力，以及气体压力、浮力、黏结力等，都是相互靠近的原子或分子之间的作用力的宏观表现，其本质是电磁相互作用。
电磁相互作用的规律总结在麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式中，更为精确的理论是量子电动力学。量子电动力学是物理学的精确理论，按照量子电动力学，电磁相互作用是通过交换电磁场的量子（光子）而传递的，它能够很好地说明正反粒子的产生和湮没，电子、μ子的反常磁矩与兰姆移位等真空极化引起的细微电磁效应，理论计算与实验符合得非常好。电磁相互作用引起的粒子衰变称为电磁衰变，最早观察到的原子核的γ跃迁就是电磁衰变，电磁衰变粒子的平均寿命为－16－2010～10s。1.3.3 强相互作用
强相互作用（strong interaction）指存在于质子、中子、介子等强子之间的作用力。强相互作用是作用于强子之间的力，是所知四种基本作用力中最强的，也是作用距离第二短的短程相互作用，力程仅－15为10m，它只能是相邻核子之间的相互作用，比弱相互作用的范围大。
强子是由夸克组成的，强相互作用的理论是量子色动力学，强相互作用是一种色相互作用，是具有色荷的夸克所具有的相互作用，色荷通过交换8种胶子而相互作用，在能量不是非常高的情况下，强相互作用的媒介粒子是介子。
核子间的核力就是强相互作用，它使原子核牢固地保持为一个整体。尽管所有带正电的质子之间都存在很大的静电排斥相互作用，但核的各部分并没有自动飞离，这正是强相互作用的结果，维持了原子核的稳定。1.3.4 弱相互作用
弱相互作用（weak interaction）存在于核内粒子之间的某些过程中，也是各种粒子之间的一种相互作用，在微观尺度上起作用，力程最短，强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位，相邻的质－2子之间的弱力大约为10N。弱相互作用通过交换中间玻色子（W及Z玻色子）而传递，但仅在粒子间某些反应中才表现出它的重要性，最早观察到的原子核的β衰变是弱相互作用现象，凡是涉及中微子的反应，都是弱相互作用过程。
弱相互作用的一个特点是对称性低。在弱相互作用中，空间反射、电荷共轭和时间反演的对称性都被破坏；同位旋、奇异数、粲数、底数等在强作用下守恒的量子数都不守恒。
弱相互作用与电磁相互作用虽然大不相同，却又有相似之处。弱相互作用流与电流一样是守恒的，它们之间还有以对称性相联系的关系。20世纪60年代末提出了弱作用和电磁作用统一的规范理论。标准的弱电统一规范模型与所有低能的弱作用实验结果一致，理论中预言的中间玻色子也已于1983年发现。
在宏观物体间所能观测到的，只有长程的电磁相互作用和引力相互作用。
物理学家总是试图能统一理解一切物理现象的基本规律。1967年，美国的温伯格（S.Weinberg）和巴基斯坦的萨拉姆（A.salam）在美国科学家格拉肖（S.L.Glashow）理论的基础上，先后提出了电磁相互作用和弱相互作用统一的规范理论，并为随后一系列实验所证实，他们也因此获得了1979年诺贝尔物理学奖。电磁相互作用和弱相互作用是一种基本相互作用——电弱相互作用（electro-weak interaction）的两种表现形式。
电弱统一理论（electro-weak unified theory）的基础是1954年杨振宁和密尔斯提出的规范场论。电弱统一理论的成功促使人们对于大统一理论的探索研究，试图把强相互作用和电弱作用统一起来。目前，在粒子物理中引力所起的作用还不太清楚；然而，基本相互作用间数学上的相似性，提示着存在一种更基本的统一的可能性：可能所有的相互作用是同一种基本相互作用的不同表现形式，或许整个自然界可归结为某种深刻的对称性。一些物理学家也试图找出这样的超统一理论，从而打破物质（matter）与相互作用之间的传统界限。
四种基本相互作用在现代粒子物理标准模型的规范理论中，统称为规范相互作用，它们已得到了实验的验证。除了这几种规范相互作用外，标准模型认为还存在一种非规范相互作用，称为希格斯粒子汤川朴作用。它的媒介粒子是希格斯粒子，这种相互作用的力程比弱相－18互作用还要短，即小于10m。到目前为止希格斯粒子还没有被直接观察到。第2部分 物质间相互作用2 引力相互作用——苹果落地到恒星命运
引力相互作用是自然界的四种基本相互作用之一，简称引力作用，在四种基本相互作用中最弱，远小于强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用，在微观现象的研究中通常可不予考虑，然而在天体物理研究中起决定性作用。按照近代物理的观点，引力作用是通过场（质点造成的时空弯曲）或通过交换场的量子实现的，引力场的量子称为引力子。2.1 万有引力定律2.1.1 万有引力定律概述1．万有引力定律的发现
远古时代，人类为了生存，要预知天气的变化，就开始了对天体运动的观察和研究。两千多年前的古希腊学者们认为地球是静止不动的球体，日月星辰都以它为中心，围绕它运转，建立了“地心说”。15～16世纪随着天文观察设备的改进，人们发现了“地心说”无法解释的现象。波兰天文学家哥白尼通过观察和分析大量有关行星运动的资料，提出了“日心说”，即地球不是宇宙的中心，它和别的行星一样，是一颗一边自转、又一边绕太阳公转的普通行星，太阳才是宇宙的中心。哥白尼于1543年出版了划时代的著作《天体运行论》。现在，人们知道太阳也不是宇宙的中心，宇宙是没有中心的。
在观察大自然时，人们常爱问是什么原因使地球绕太阳运转？是什么原因使月球绕着地球转？地球上大海、湖泊的潮汐是如何生成的？为什么苹果向地面下落？伽利略的惯性定律告诉我们：不受任何作用的物体将保持其静止的状态，或作匀速直线运动。牛顿的运动定律告诉我们：力使物体的运动状态发生改变。成熟的苹果由树枝落地、行星绕日的运转等现象都说明均有作用力的存在。
德国天文学家开普勒深信哥白尼学说的正确性，为了揭开行星运动之密，他分析了丹麦天文学家第谷留下的极其珍贵的观察资料，并于1609年在出版的《新天文学》中提出了开普勒第一、第二定律。
开普勒第一定律是“轨道定律”：所有的行星分别在大小不同的椭圆轨道上绕太阳运转，太阳位于这些椭圆轨道的一个焦点上。
开普勒第二定律是“面积定律”：行星和太阳之间所连直线在相等的时间内扫过的面积相等。
开普勒于1619年在出版的《宇宙谐和论》中发表了他的第三定律，即“周期定律”：行星绕太阳一周所需的时间的平方，与行星和太阳平均距离的立方成正比。
开普勒三定律的发表，轰动了当时的学术界，行星运动规律的秘密被揭开了，但是什么力量使行星规规矩矩绕太阳运转呢？1659年惠更斯在研究物体绕一个固定中心作匀速圆周运动时发现，该物体必然要受到一个指向中心的力的作用，他把这个力称为向心力。根据开向普勒第三定律可得到向心力F与圆周半径R的平方成反比，即：
但这个结论能用在天体的椭圆轨道运动吗？牛顿从他对运动定律的理解，意识到太阳可能是支配行星运动的力所在。他通过对月球绕地球运行、人们攀登高处所受的重力作用等现象的思考，在前人研究的基础上，运用高超的分析、归纳能力和娴熟的数学技能，于1684年提出了万有引力定律，从理论上解决了行星运动规律及原因。
万有引力定律的内容：任何两物体间都存在相互作用的吸引力，12力的方向沿两物体的连线，力的大小f与两物体的质量m、m的乘积成正比，与两者间的距离r的平方成反比，即：
万有引力定律可计算任意两个物体间的引力。例如：相距1m的－11两个1kg物体间的引力为6.7×10N，或0.000000000067N，这个力很小，难以测到，所以普通物体之间的引力是不容易感觉到的。
既然地球上普通物体之间的引力小得测不出来，牛顿是怎样证明万有引力定律的呢？
引力与质量的依赖关系是不难推知的。因为一个物体的重量正比于其质量（如两个相同的苹果系在一起的重量肯定是一个苹果的重量的两倍，因而质量加倍使重量加倍），牛顿据此推论引力一定正比于两个质量中的每一个。
但是引力对距离的依赖关系如何呢？公元前3世纪，古希腊天文学家阿里斯塔克通过观测月食而计算出地球到月亮的距离大约是地球半径的60倍。有万有引力定律就意味着在月亮距离处的一个物体将2受一个引力，它是同一物体在地球上所受重力的1/60。由于加速度正比于力，这个距离上的物体的加速度应当是落向地球地面的物体的2加速度的1/3600，即月亮的加速度应该是0.0027m/s。另一方面根据观测月亮绕地球一周用27天，可直接算出月亮绕地球的圆周运动的2加速度是0.0027m/s。观察结果与牛顿的万有引力定律的结论一致。
每个物体都因具有质量而感受到引力，因此引力是万有的。虽然对一般物体，万有引力很弱，但它具有两个特别的性质：（1）它会作用到非常大的距离上（即是长程力）；（2）它总是表现为吸引，且具有叠加性。这表明，在像太阳和地球这样两个庞大的物体间，引力是相当大的。在宇宙中万有引力扮演着主宰的角色。2．万有引力常数G的测定
万有引力常数G是自然界的基本常数之一。1798年，即牛顿发表万有引力定律100多年之后，卡文迪许（H.Cavendish）做了第一个精确的测量。他所用的扭秤装置如图2.1.1所示，两个质量均为m的小球固定在一根轻杆的两端，再用一根石英细丝将这杆水平地悬挂起来，每个质量为m的小球附近各放置一个质量为M的大球。根据万有引力定律，当大球在位置AA′时，由于小球受到吸引力，悬杆因受到一个力矩而转动，转动角度θ可用镜尺系统来测定。为了提高测量的灵敏度，还可将大球放在位置BB′，向相反的方向吸引小球。这样，两次悬杆平衡位置之间的夹角就增大了一倍。如果已知大球和小球的质量M、m，它们相隔的距离，以及悬丝的扭转系数，就可由测得的θ来－113计算G。卡文迪许测定的万有引力常量数值G=6.754×10m/（kg·2s）。图2.1.1 卡文迪许用的扭秤装置2.1.2 万有引力现象1．海王星、冥王星的发现
预见并发现新的行星是显示万有引力定律威力的最生动的例证。
1781年，通过观察已确定了天王星为太阳系的行星，发现它沿着一个差不多是圆形的轨道运动，到此人们已经知道太阳系中有七个行星。1821年，法国人布瓦德根据观察资料对天王星的轨道进行了计算，发现存在一系列偏差。他又把1781年以前和1781年后的资料分别进行计算，并在计算中考虑了土星、木星对它的影响，结果得到两个完全不同的椭圆轨道。根据1781年后资料计算出的轨道与当时的观察值较好地符合，而根据1781年以前的资料计算出的轨道偏差较大，当时就认为大概是1781年以前的资料不可靠。可是不到10年，到了1830年，新的观测与布瓦德计算的轨道又发生了较大的偏离，调皮的天王星又“出轨”了。究竟是什么原因呢？当时的天文学界普遍认为，可能是天王星外尚有一个未知的行星，由于没有考虑它对天王星运动的影响，所以会有较大偏离。但要进一步具体确定该未知新星的存在，并计算出它的轨道、质量等参量，是一项十分艰苦、复杂的工作，万有引力定律又将经受一场考验。当时法国的天文学助教勒威耶（1811—1877）对天文学有着浓厚的兴趣，他对太阳系中各行星的轨道变化逐个进行了计算和分析。勒威耶经过一年多的计算，于1846年8月31日写成了《使天王星运行失常的行星，它的质量、轨道和现在位置的确定》的论文，完成了寻找新行星的理论计算工作。9月18日，他写信给柏林天文台的天文观测家加勒，请求用他们优良的望远镜指向天空的某个指定位置，帮助寻找这颗亮度近于九等星的新行星。9月23日，加勒收到信后的当晚，他和他的助手在不到30分钟的时间内，就在勒威耶信中指定位置的范围内找到了这个太阳系的第8颗行星——海王星。
而在比这稍早一些的时间，英国的亚当斯（1819—1892）通过计算，已正确地指出了这个行星的位置。1845年9月，他把计算结果通过剑桥大学天文学教授转呈给英国皇家天文台，但这个年轻人的论文未能引起权威们的重视。直到第二年，皇家天文台终于决定对亚当斯的计算予以观测，并在亚当斯预言的位置上发现了这颗新星，可惜为时已晚，德国柏林天文台已经传出了根据勒威耶的计算发现海王星的消息。这样，海王星的发现被推迟了近一年的时间。海王星的发现，不仅有力地支持和证实了万有引力定律和哥白尼学说，而且成了理论指导实践的极为精彩的例证。
经过对海王星运动的一段观察，发现了海王星也出现了某些“越轨”现象，而用已知行星对它的作用得不到圆满解释，自然又想到海王星外还存在一颗新星。从1905年开始，经历了长达25年的艰苦搜索，终于在1930年，美国的天文学家汤鲍孚发现了这颗新星，取名为冥王星，这样太阳系的第9颗行星也被发现了。至于2006年冥王星被降为矮行星，是另一起科学事件了，此处不赘述。2．潮汐现象
潮汐，就是海水的一种周期性的升降或涨落运动，海水的涨落平均以24小时50分为一个周期，在一个周期内一般发生两涨两落。古代人把白天海水的上涨称为潮，晚上海水的上涨称为汐，所以合称潮汐。我国唐代余道安在他著的《海潮图序》一书中说：“潮之涨落，海非增减，盖月之所临，则之往从之。”东汉哲学家王充在《论衡》中写道：“涛之起也，随月盛衰”，指出了潮汐跟月亮有关系。到了17世纪80年代，英国科学家牛顿发现了万有引力定律之后，提出了潮汐是由于月亮和太阳对海水的吸引力引起的假设，科学地解释了产生潮汐的原因。
潮汐是一种万有引力现象，地球在绕太阳运转的同时，还绕地月质心运动（月球绕地球作圆周运动，实际上是月球和地球都绕二者的共同质心作圆周运动，只是地球的圆周轨道小得多），因此地球同时受太阳和月球的引力作用，但引潮力并不是引力。地球上各点所受月球实际引力与地球绕地月公共质心运动的惯性离心力的合力，称为月球引潮力；地球上各点所受太阳实际引力与地球绕日地公共质心运动的惯性离心力的合力，称为太阳引潮力。月球和太阳对地球的引潮力的合力是引起海水涨落的原因。月球质量虽然远小于太阳质量，但月球与地球的距离比太阳与地球的距离近得多，根据万有引力计算可知，月球引潮力是太阳引潮力的2.17倍，可见海洋潮汐主要是由月球引潮力引起的。
为什么涨潮现象同时发生在地球离月球最近的海面和离月球最远的海面这两个区域？月球在地表的正垂点A所受实际引力（引力最大）与离心力作用于同一直线，方向相反，实际引力绝对值大于离心力绝对值，引力起主导作用，引力与离心力的合力是向上指向月心的；反垂点B所受实际引力（引力最小）也与离心力作用于同一直线，方向相反，离心力绝对值大于实际引力绝对值，离心力起主导作用，两种力的合力背向月心方向，但在地球上也是向上的。地表其他任何地点所受月球实际引力，都不和离心力作用于同一直线，力的方向相差都不等于180°，而且力的绝对值也不相等。因此，除正、反两个垂点外，地表一切地点所受月球实际引力，都与离心力构成一个方向不同、大小不等的合力。这些合力，就是月球引起地球上潮汐现象的直接动力——月球引潮力，如图2.1.2所示。图2.1.2 月球引潮力
在地球表面，正垂点和反垂点的引潮力最大，二者的绝对值相等，方向相反，正垂点的引潮力指向月心，反垂点的引潮力则背向月心；对于地心来说，正垂点和反垂点的引潮力，则都是背向地心而向上的。在以正垂点为中心、朝向月球的半个地球表面，各地点的引潮力方向都不相同，但大体上都指向正垂点，其数值从正垂点向外围，越来越小；在以反垂点为中心、背向月球的半个地球表面，引潮力的方向也各不相同，大体上指向反垂点，其数值从反垂点向外围，越来越小。在与正、反垂点相距90°（即上述两个半球交界处）的各个地点，引潮力则指向地心，对于向月和背月方向来说，其数值都可视为零。引潮力的水平分力，在大小和方向上，都明显地呈现出分别以正、反垂点为中心的带状分布特点。图2.1.3即为引潮力分布及潮汐变形。图2.1.3 引潮力分布及潮汐变形
综合月球引潮力和太阳引潮力，就会看到，如图2.1.4所示，当月球为朔月或满月时，太阳的作用力和月球的作用力相叠加，产生特别大的潮，因而被称为大潮。在上弦和下弦时，太阳的引潮力不及月球的一半，与部分月球引潮力相抵消，潮差最小，因而被称为小潮。作为引潮天体的月球和太阳，它们的运行是有周期性的，所以地球上的潮汐也就具有周期性，阴历的每月初一和十五（朔月和满月）时，由于太阳、月亮和地球在同一条直线上，太阳和月亮对海水的引力相互加强，所以每月出现两次大潮；在初八、二十三日，两种引力相互抵消一些，所以产生小潮。图2.1.4 月球引潮力和太阳引潮力对潮汐的影响示意图
按照潮汐基本上来自月球引力效应的分析，在任何时刻，围绕地球的海平面的总体分布有两个潮水突起部，这两个突起部的最高点应出现在地球表面离月球最近和最远的地方。当地球转动24小时后，这两个突起部在地球上的位置将几乎保持不变。地球上某确定点相继两次涨潮之间的理论时间间隔应是12小时，但那只是假定月球的位置不动所确定的，实际的情况并非如此。由于地球自转，这两个突起部分会被陆地和海水的摩擦力拖着向前，其发生位置较月球正下方稍向前移。所以，在看到月球越过头顶之后的某个时刻才会遇到海洋中某处的潮。同时，由于月球本身的运动，这些突起部分会慢慢地带着向前，这样就使得地球上某确定位置的相继两次潮汐之间的时间间隔为12小时25分钟，而不是正好12小时。潮汐现象的涨落形态与强度在很大程度上取决于海岸线与洋底的地形。比如在开阔海面的中心，当其东西两岸的水面未同时下落时不会隆起，而在较窄的海域里，它们会交替起伏于沿岸。所以在距大陆较远的海岛上潮水涨落一般都较小；而在一些港口，涨潮与落潮比一般情形都大，波涛汹涌般的海水不断地灌入和流出海湾，如我国杭州湾的钱塘江口涨潮时潮流汹涌澎湃，气吞山河，蔚为奇观。2.2 重力2.2.1 重力概述
地球表面附近的物体也将受到地球的引力作用，用G表示；由于地球自转，它是一个非惯性系，地球上的物体都要受到一个惯性离心力，用P表示）。常用弹簧秤或天平来测量物体所受重力，称为静力学方法，这种方法测得的是该物体作用在支撑物上的力，用W表示，其大小叫重量。如图2.2.1所示的重力示意图，实际测得的重力W是地球引力G和惯性离心力P的合力：图2.2.1 重力示意图其中er=Rcos式中 m——物体质量；－5ω——地球的自转角速度，7.29×10rad/s；eR——地球半径；φ——物体所处的纬度。
不难理解，同一物体在不同地点的重力是稍有差异的，W=mg，重力加速度g在两极最大，赤道最小，表2.2.1给出了不同纬度的g值。表2.2.1 不同纬度的g值
由于ω很小，所以惯性离心力的影响微弱，可忽略，近似地有：e式中 M——地球质量。2.2.2 地球质量e
利用万有引力定律和已知的重力加速度值g，求地球质量M，即为称地球的质量。由式（2.2.3）有：e2
地球半径的现代数值R=6371km，g=9.81m/s，测出G，可算出e24e2e地球质量M=5.976×10kg，地球的平均密度ρ=3M/（4πR）3=5.518g/cm。
利用同样的道理也可称太阳的质量。2.3 三种宇宙速度
当人们水平抛掷物体时，抛出的速度越大，物体射出的距离越远，但终归要落回地面。那么，当物体具有多大的速度时，它就可以绕地球飞行而不落回来，甚至离开地球、离开太阳系呢？
由地球发射人造星体，必须使它有足够的速率才能在空间运转，现在常提到的三种宇宙速度是从地球发射几种人造星体所需要的、相对于地心参考系的最低速度。第一宇宙速度就是使人造星体可以环绕地球运动所需的最小发射速度，第二宇宙速度是使人造星体完全脱离地球所需的最小发射速度，第三宇宙速度则是使物体脱离太阳系所需的最小发射速度。2.3.1 第一宇宙速度
假设人造地球卫星沿着圆轨道（圆心在地心）运转，轨道半径为r，环绕速率为v，卫星作匀速圆周运动所需的向心力应等于地球对卫星的引力，由万有引力定律及牛顿第二定律得：式中 m——卫星质量。
由此可求出：1
设从地球表面发射的卫星的速率为v，对地球卫星系统只有引力做功，系统机械能守恒，于是有：将式（2.3.2）代入上式，经化简得：
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]