大一统理论的四种作用力的发现与论证过程

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目前最完善的是标准模型，包含了强核力、弱核力，电磁力。但在标准模型中，仍然无法使物体间的引力也被包含进来。那是因为没有将空间四维度纳入，现今将天体物理的陨石体探索，就发现和完善了‘标准模型’，四力合一的‘强核力，弱核力，电磁力，重力引力’存在（天然的标准模型）。

科学界已经认定，万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力这四种基本力都是基本力。它们都是通过在粒子之间交换的一种“传播子”实现的交互作用的。带电粒子之间电磁相互作用的传播子是质量为零、自旋为1的光子。原来有学者认为，核子之间的强相互作用（核力）是靠π介子传递的，但由于核子和π介子都是由夸克组成的，所以归根结底它们是夸克之间的相互作用。传递夸克之间强相互作用的传播子称为“胶子”。胶子带“色荷”，分成八种不同的胶子。不过胶子和光子一样，都是自旋为1的玻色子。弱相互作用的传播子是“中间玻色子”，它的自旋也为1，有三种带电情况：把带有正负单位电荷的中间玻色子记为W+，W-，把不带电的中间玻色子记为Z0。有学者认为，万有引力则是由引力子来传递的。引力子的质量为零，传递的速度为光速。

万有引力是任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力，是自然界中最普遍的力，1687年由牛顿发现。牛顿发现，物体间引力的大小与各个物体的质量成正比例，而与其距离的平方成反比。在粒子物理学中把引力、强力、弱力、电磁力合称四种基本的相互作用。引力是其中作用强度最弱的一种，两个质子间的引力只有它们间的电磁力的1/10^35 。事实上，引力显得如此之微弱，一直让理论物理学界感到困惑。

电磁相互作用是自然界的四种基本相互作用之一，简称电磁作用。即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。电磁力随距离增加而作用力减小的规律与万有引力相似：当距离增大到原来的2倍时，它们减小到原来的1/4。在强度上它次于强相互作用而居于四种相互作用的第二位。

电磁相互作用和引力相互作用是长程力，它们可以在宏观尺度中起作用而表现为宏观现象。宏观的电磁相互作用理论总结在麦克斯韦方程组中，早在19世纪已为人们所掌握。微观的电磁作用理论是量子电动力学，它是麦克斯韦理论与量子力学原理的结合。在量子电动力学中，电磁场是量子化的光子场。光子的质量为零，自旋为1，能量为hv，其中v是频率。带电粒子可以发射和吸收光子，它们之间的电磁作用通过光子场传递。正反带电粒子对可以湮没而转化为光子，它们也可以在电磁场中产生。

强相互作用是作用于强子之间的力，是目前所知的四种基本作用力中最强、也是作用距离第二短的（大约在 10^(-15)～10^(-10) m 范围内）物体间的相互作用力。它起着使质子与中子结合成原子核的作用。核子间的强相互作用抵抗了质子之间的强大的电磁力，维持了原子核的稳定。

物理学家认为，强相互作用的产生与夸克、胶子有关。强子之间的相互作用实际上是夸克团体与夸克团体之间的相互作用，而夸克团体之间的相互作用乃是夸克与夸克之间相互作用力的剩余。当夸克们结合成为强子时，其结构已经较为严密完整。如果强子之间发生了强烈撞击，那么各强子原来的结构则会遭到破坏，因此，各强子中的大小夸克则自然会重新产生相互的作用而结合在一块；这就是强相互作用的现象。

1967年初，美国斯坦福大学电子直线加速器建成，随着能量增大，实现了高能电子的“深度非弹性散射”，出现了新现象。实验发现，质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的。这一发现令科学家们大吃一惊。1969年，美国科学家费曼提出了部分子模型，他认为强子是由许多带电的点粒子构成，这些点粒子称为部分子，在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中，可以近似作为相互独立的粒子。

部分子模型和夸克模型是从不同的角度、用不同的方法，得出了同样的结论。部分子模型和夸克模型结合起来描述：强子是夸克通过色相互作用结合成的复合粒子，强子内的部分子可以由三类粒子组成：一类称为价夸克，它们的数目和味是确定的，并随不同强子而不同，价夸克决定强子的性质；第二类称为海夸克，它们的数目和味是不确定的，但其总和的味性质和真空相同；第三类称为胶子，它们的数目不定，其味性质和真空相同，起传递色相互作用的作用。

质子内部除了uud 三个夸克外，在极高能量的电子打入后又被激发出了无数的正反夸克对，所以可以看到无数“自由运动”的点电荷。这样，在低能态下看到的质子和在高能态下看到的质子就统一起来了。正反夸克对的“自由运动”意味着强作用力在能量升高时“变弱”。

1973年，美国科学家格罗斯、波利茨、威尔茨克通过一个完善的数学模型说明：夸克之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象被称为“渐近自由”。反之，夸克之间距离越大，强作用力就越强。“渐近自由”的发现导致了全新的理论——量子色动力学（QCD）的诞生。

量子色动力学解释了胶子（gluon）的存在，认为带色的夸克通过交换胶子而结合，即夸克与夸克、或夸克与反夸克、或反夸克与反奈克之间通过胶子而结合在一起。凡带有色荷的粒子能放出和吸收胶子，从而实现强相互作用。吸收和放出胶子可使夸克改变颜色。而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应。但是科学家们在实验中一直没有发现自由夸克和胶子的存在。一种猜测是带有颜色的夸克和胶子就像被囚禁在整体无色的“牢笼”里面，这种现象称为“色禁闭”。“色禁闭”的解释已有各种理论证据，但仍然属于研究的前沿问题。

弱相互作用（weak interaction）自然界的四种基本相互作用之一，简称弱作用。弱相互作用是基本粒子之间一种特殊作用，它和强相互作用，电磁作用和引力作用并成为四种基本相互作用力。由于弱相互作用比强相互作用和电磁作用的强度都弱，故有此名，其作用范围比强相互作用还要小。

最早观察到原子核的β衰变是弱相互作用引起的一种现象。科学家们发现，凡是涉及中微子的反应都是弱相互作用过程。后来又观察到介子、重子和轻子通过弱作用的衰变和中微子散射等弱作用过程。弱作用力程在四种作用中是最短的，在低能过程中可以近似地看作是参与弱作用过程的粒子在同一点的作用。分析实验的经过发现，费米子在一点的弱作用(称为费米作用)，是两个费密子弱作用流的耦合。弱相互作用的特点是对称性低。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。但是破坏时间反演的弱作用比不破坏时间反演的弱作用弱得多。

通过实验和理论的长期研究，人们已经基本了解低能有效费米作用中弱作用流的具体形式，总结建立了普适费米型弱相互作用理论。但是费米作用的场论是不可重正化的，无法计算微扰论的高阶效应。另一方面人们注意到弱相互作用与电磁相互作用虽然很不相同，却又有相似之处。弱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。因此，60年代末科学家提出了弱作用和电磁作用统一的规范理论。这种理论描述轻子和组成强子的夸克以及一些称为希格斯粒子的自旋为零的粒子与统一的电-弱规范场的相互作用。这是一种规范的对称性自发破缺理论。理论中有一个规范粒子无质量，它是传递电磁作用的光子，其余的规范粒子得到质量，它们是传递弱作用的粒子，称为中间玻色子。这种理论把似乎没有关系的自然界的两种基本相互作用联系起来，而且可重正化的。标准的电弱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。因此电弱统一规范理论正确地描述了弱相互作用。

简单来说，使广义相对论和量子力学有机的统一起来。

在先前的科学发展的水平，我们能够借助量子力学和广义相对论这两大具有重要意义的理论预言解决物理方面较为复杂事情。小到原子、分子，大到星系、星系团，我们能够用量子力学和广义相对论明白一些事情。转眼间来到21世纪，科学实验证明量子力学以及广义相对论都解决不了所有的问题。在物理学中，要么是量子力学，或者就是广义相对论被当做是解决问题的工具之一。这种情况下也有例外，关于黑洞的奇点必须用到两种理论才能解决这个疑问。

把广义相对论和量子力学的有机结合起来是一个比较困难的问题，科学家发现，和广义相对论相反的狭义相对论对量子力学的发展有着某种促进作用，狭义相对论与量子力学都是针对微观世界下的物理问题。把狭义相对论与量子力学统一起来，科学家首先在电磁力与物质的作用上下了不少功夫，量子电动力学就是统一狭义相对论与量子力学的产物。为了二者和平的相处，科学家下了很多功夫，但每次都取得的成果都微乎其微。虽然努力程度不低，但结果不如人意。终于，一种全新的理论?超弦理论应运而生。超弦理论包含什么，它是介于微观和宏观世界的?中间人?，使广义相对论和量子力学和平相处的有力的理论。根据超弦理论可以知道，宇宙的基本组成部分不再仅限于粒子，而是像一根线一样。虽然是?弦?，但是具有独特的构成方式，它是比原子更小的组成结构。如果单独用这种方式的话，超弦理论可以说是物理学上一个及其重要的理论。

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