1.3 物质的构成及物理基本力

宇宙世界是由物质构成的。千差万别的物质种类和物质形式组成了这个色彩斑斓的宇宙世界。从大的方面说，在太阳系外面，还有千千万万个太阳系，在银河系外面，还有千千万万个银河系，它是无穷无尽的；从小的方面说，也是无穷无尽的，物质一般由分子组成，分子又由各种原子组成，原子里面又分为原子核和电子，原子核里面又分为质子和中子。

早在周代，我们的祖先就提出了五行说，即万物由金、木、水、火、土五种物质原料构成。古希腊哲学家德谟克利特把构成物质的最小单元叫作原子。战国时的墨翟也提出了类似原子说的观点。他认为“端，体之无厚，而最前者也”。端是物的起始，把物体分割到“无厚”，便达到最前的质点。也就是说：物体可以两半两半地分下去，如果分到“无”，就不能再分下去了。这就是原子说的思想。17世纪，英国人波义耳提出了元素的概念。在以后的100多年里，人们逐渐发现了氢、氮、氧等元素。到了19世纪，已经有更多的元素被发现，俄国的门捷列夫从已知的元素中发现了规律性，制成了元素周期表，预测了未发现的元素的特性。从此人们认识到，我们周围的一切物质都是由元素组成的，每一种元素都有化学性质相同的原子。

近百年来，物理学家在科学实验的基础上又发现了电子、质子和原子核并逐步形成了原子模型，认识到原子是由原子核与核外运动的电子所组成的。最初的认识是原子核由质子组成，一定数目的电子和相同数目的质子组成原子，不同电子数和不同质子数的原子构成不同的元素。按照目前近代物理学研究的最新成果，物质的最小构成单元不再是分子、原子，而是夸克和轻子（电子是其中的一种）。所以对于物质来说，现在知道有5个层次：分子—原子—原子核—核子—夸克。就拿最简单的水分子来说，它由两个氢原子（H）和一个氧原子（O）组成。氢原子的核，是一个质子（p），质子外面，有一个电子（e）绕其运行。质子又由3个夸克（两个上夸克u，一个下夸克d）构成。而氧原子就复杂得多了，它由8个质子与8个中子（n）构成核，核外有8个电子绕行。而每个中子又含有3个夸克（一个上夸克u，两个下夸克d），现在只认识到夸克这个层次，而且现在还不能把夸克从核子中分离出来。

分子，是物质能独立存在，并保持该物质一切化学性质不变的最小单位。它由一种或几种元素的原子依一定的数目和方式结合而成。单质分子，由一种原子组成，如氢分子H2、氧分子 O2、臭氧分子 O3等。化合物分子，由几种原子组成，如水分子 H2O、氨分子 NH3（N是氮原子）等。以原子的不同结合方式，可构成不同的分子，如CH3CH2OH和CH3OCH3中（C是碳原子），同种原子的数目虽然一样多，但前者为酒精分子，而后者为甲醚分子，性状完全不同。

（1）原子，是组成单质和化合物分子的最小单位，是化学反应中不能再分的粒子。原子质量大部分集中于小小的原子核，原子核的大小只有1厘米的一万亿分之一。核的周围包围着由较轻的粒子（电子）构成的云，电子云延伸的距离可达到1厘米的一千万分之一。

（2）原子核，是原子的中心体，由质子与中子组成。原子核带正电荷，电荷数与其包含的质子数相等。原子核的质量几乎等于原子的总质量，半径约为几个10−13厘米（与包含核子数的多少有关）。

（3）早期认为质子和中子是最小的基本粒子，但随着物理学认识的深入，人们认为质子和中子层面的下一层还有夸克。夸克共有6类，称为夸克的6种“味道”。每种味道，还有“红”“蓝”“绿”3种颜色，因此共有18种夸克。这里“味道”“颜色”，只是分类用语，毫无字面的意义。在粒子世界中，每种粒子都有其反粒子（反粒子与粒子的电荷相反，或自旋磁矩相反）。所以，夸克的总数不是18种，而是36种。夸克以两种构型附着在一起。一种构型是两个夸克附在一起，另一种构型是3个夸克附在一起。两个夸克在一起就构成了介子，3个夸克在一起就构成了重子。

从以上的叙述中可以看出，宇宙间万物虽千差万别、形态各异，但最终都是由上述的几种基本粒子构成的。

力是自然科学理论大厦的基石，力的发现和力学理论的建立，是人类对自然科学的研究从“幼稚”走向成熟的重要标志。

今天，当我们用力的观点考察世界时发现，在自然界中，物质的运动无不受力的支配。无论是物理的微观运动、机械的宏观运动、化学运动，还是生物运动，都离不开力的作用。经过漫长时间的探索，科学家发现，这些力都是组成物质的粒子之间的力形成的。粒子之间的力共有四种，即万有引力、电磁力、弱相互作用力和强相互作用力，它们被称为基本力。所有粒子的运动都遵循这四种基本力的相互作用。万有引力、电磁力、弱相互作用力和强相互作用力支配着宇宙的一切运动。从原子到物体，从小的细菌到植物、动物，所有这些存在物虽然表现出的结构、形态和运动各不相同，但是从本质上讲，它们都是由自然界这四种基本作用力所编制的“实体”。四种基本相互作用力在编制世界的过程中，分别统管着不同的层次和范围，各司其职，各尽其力。它们既有共同点，也有不同点。共同点是它们都有作用源，都有传递相互作用的“媒介”粒子。不同点是它们的作用强度、作用行程、作用源和“媒介”粒子等都各不相同。当然我们现在所研究的微机电系统也不例外，也在这四种基本力的相互作用范围之内。微机电系统中的微结构常常是可以变形的，而且许多微结构系统就是利用这种变形来工作的，能影响这种变形或运动的力有很多。如果弄不清微机电系统中的主导力，许多在实际应用中出现的重要现象就无法获得科学的解释，如微机电系统中的动能、动力学、摩擦、黏性、磨损等。因此，微机电系统力学的研究也将会加快微机电系统研究和应用的发展。

万有引力和电磁力是人们最熟悉的了。牛顿受苹果落地的启示发现了万有引力定律。我们的祖先发明了指南针，它是磁力应用的先例。弱相互作用力和强相互作用力在宏观世界中不能直接观察到，它们都是在很小的距离内才能作用，只有在微观世界（粒子间）的相互作用中才能显示出来。在四种基本作用力中，强相互作用力最强，万有引力最弱。如果将强相互作用力的强度规定为1，那么电磁力就是1/137，弱相互作用力就是10−13，万有引力就是10−39。万有引力和电磁力是长程力，其作用距离在理论上讲可以抵达无穷远处，传递它们作用的“媒介”粒子是没有静止质量的引力子和光子。而强相互作用力和弱相互作用力都是短程力，它们的作用距离分别只有10−15m和10−18m。

每一种作用力都有其作用的根源。宏观长程作用力——万有引力和电磁力的作用源分别是质量与电荷，换句话说，万有引力源于质量，电磁力则源于电荷。亚核水平的两种短程力——强相互作用力和弱相互作用力，也有自己的作用源。物理学家把强相互作用力的作用源称为“颜色”，把弱相互作用力的作用源称为“弱荷”。质量、电荷、颜色和弱荷这四种“荷”分别是四种作用力产生的根源，它们的量越多，各种力的作用也就越强，即作用力越大。

1．万有引力

在四种基本力中人们最先加以科学研究的是万有引力，牛顿建立了完善的数学理论来描述它。牛顿花了大约20年的时间，经过反复的琢磨、修改和完善，终于在开普勒行星运动三定律的基础上提出了万有引力定律，并在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出。牛顿利用万有引力定律不仅解释了行星的运动规律，而且还指出木星、土星的卫星围绕行星也有同样的运动规律。另外，他还解释了彗星的运动轨道和地球上的潮汐现象。根据万有引力定律成功地预言并发现了海王星。

万有引力定律现在的一般表述：任何两个物体之间都有相互吸引力，这个吸引力的大小与两物体的质量成正比，而与它们之间的距离的平方成反比。

如果用m1、m2表示两物体的质量，用r表示它们之间的距离，则两物体之间的吸引力F的大小为

式中，G为万有引力常数，G=6.6720×10−11 N · m2/kg2。

牛顿的万有引力定律说明，每一个物体都吸引着其他每一个物体，而两个物体间的引力大小，正比于它们的质量，反比于两物体中心连线距离的平方。就重力而言，不管距离地球多远，地球的重力永远都不会变成零，即使你被带到宇宙的边缘，地球的重力还是会作用到你身上，虽然地球重力的作用可能会被你附近质量巨大的物体的作用所掩盖，但它还是存在的。因此不管是多小还是多远，每一个物体都会受到重力作用，而且遍布整个太空，正如我们所说的“万有”。

按照牛顿的万有引力定律，我们人类之所以不能像鸟一样在空中自由翱翔，其原因就是地球对我们的吸引力太大。这种吸引力是在任何时候、任何物体间都存在的。两个通常物体之间的万有引力极其微小，我们可能察觉不到它，可以不予考虑。例如，两个质量都是60kg的人，相距0.5m，它们之间的万有引力还不足百万分之一牛顿，而一只蚂蚁拖动细草梗的力竟是这个引力的1000倍！

2．电磁力

电磁力是电荷、电流（运动电荷）在电磁场中所受力的总称，也可分别称载流导体在磁场中受的力为电磁力，称静止电荷在静电场中受的力为静电力。

电磁力作用于带电荷的粒子之间，但不能和不带电荷的粒子相互作用。它比万有引力的作用强得多：两个电子之间的电磁力比万有引力大约大1×1042倍。同种电荷之间的力是互相排斥的力，而异种电荷则互相吸引。电磁力经常表现为两种作用，即电力和磁力，但是它们的作用源实际上都是电荷，它们既能相互转化，也能相互作用，所以它们在本质上是一种力。最初物理学关于电力和磁力的概念是相互独立的，19世纪30年代，英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday,1791—1867）发现了电磁感应现象，于是物理学就在电力和磁力这两种相互作用之间建立了一种明确的联系。到了1873年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell,1831—1879）在法拉第研究的基础上，用一组数学方程把电与磁联系起来，建立了统一的电磁理论。

在查利·奥古斯丁·库仑（Charles-Augustin Coulomb,1736—1806）所处的时代，电量还没有单位制，对于力与电量的关系，还很难进行直接的定量证明。为了克服这一困难，库仑发明了一种能测量很弱力的非常灵敏的分析仪器——库仑扭秤，并巧妙地通过让带电小球和另一个与之完全相同但不带电的小球相接触的办法，获得了原电量为1/2、1/4…的电量，从而揭示了电力与电量乘积成正比的关系，总结出了库仑定律。

库仑定律现在的一般表述：在真空中，两个电荷之间的相互作用力的大小，与它们所带电量的乘积成正比，与它们的距离的平方成反比。

如果用q1、q2分别表示两个点电荷所带的电量，用r表示它们之间的距离，那么库仑定律就可以用下列式子表示：

式中，K为比例常数，K=8.987×109N · m2/C2。

事实上，库仑在发现该定律时，正是受到了牛顿万有引力定律的启发。所不同的是，万有引力总是相互吸引的，静电力却有可能相互吸引也有可能相互排斥，符号上有正有负，而且强度上差异很大，静电力要比万有引力强1036倍。

3．弱相互作用力

弱相互作用力属于微观力。在微观粒子世界中，粒子之间的相互作用是通过碰撞而实现的。对于弱相互作用力来说，它主要是改变粒子，而不是对粒子产生拉或推的效应。这种相互作用首先是在β衰变中发现的。

4．强相互作用力

我们从物质的构成可以知道，原子核的结构是由质子和中子两种粒子组成的。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，究竟是什么力把质子和中子紧紧地箍在一起呢？究竟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。核力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——强相互作用力。它是短程力，但是它的力程比弱相互作用力的力程长，约为10−15cm。大约等于原子核中核子间的距离。

在这四种基本相互作用力中，万有引力和电磁力是最先为人们所认识的，并且认识得比较充分。而由近代物理揭示的强相互作用力和弱相互作用力的规律还有待于进一步完善。从上面四种基本力的描述中我们可以看出，相互作用的力不同，组成的物质或系统的性质也不相同。强相互作用力把不同数目的质子和中子牢牢地“捆绑”在一起，组成各种各样的大大小小的坚不可摧的原子核；电磁力把电子吸引在原子核的周围形成原子，同时把各个原子联结在一起形成不同的分子；范德瓦尔斯和键合力（科学家认为它们都是由电磁力引起的一种分子间的吸引力）把众多的分子束缚在一起形成雪花、石块、纸张、布匹、天体等各种物体；万有引力把行星、小行星和彗星“团结”在太阳等恒星周围，形成太阳系等众多星系，同时又把星系拢聚在一起形成庞大的星系团，等等。

从前面的叙述中，我们可以很清楚地知道，目前物理学界公认的世界存在万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力这四种基本力。仅在宏观世界里能显示其作用的只有两种：万有引力和电磁力。

万有引力是所有物体之间都存在的一种相互作用力。万有引力是一种长程力，力程为无穷。它在四种基本力中是作用强度最弱的力，远小于电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。由于万有引力常量G很小，因此对于通常大小的物体，它们之间的万有引力非常微弱，我们可以这样来设想万有引力的微弱程度：若原子内的电子和原子核间是由万有引力而不是由电磁力束缚在一起的，则单个氢原子的体积就会比迄今所估计的宇宙还要大得多。因此，在微观现象的研究中通常可不予考虑万有引力，在一般的物体之间存在的万有引力也常被忽略不计。但是，对于一个具有极大质量的天体，万有引力就成了物体之间的主要作用力。

电磁力是带电物体或具有磁矩物体之间的相互作用力。它也是一种长程力，力程为无穷。宏观的摩擦力、弹性力以及各种化学作用实质上都是电磁力的表现。其作用强度仅次于强相互作用力，居四种基本力的第二位。

弱相互作用力和强相互作用力都是短程力，短程力的相互作用范围在原子核尺度内。强相互作用力只在10−15m范围内有显著作用，弱相互作用力的作用范围不超过10−18m。这两种力只要在原子核内部核基本粒子的相互作用中才显示出来，在宏观世界里察觉不到它们的存在。

如果对四种基本作用力按作用强度来排序，那么它们的顺序是强相互作用力、电磁力、弱相互作用力、万有引力。一对质子在相距10−15m时，各种基本力的作用强度（假定此时强相互作用力强度的数量级为1）为：强相互作用力为1，电磁力为10−2，弱相互作用力为10−12，万有引力为10−40。综上所述，表1−3−1列出了四种基本力各自的作用强度与作用距离。