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自然界中的4种基本力是什么？它们各有什么特点？
力是两个物体之间的相互作用。
自然界中一共有4种基本力，分别是引力、电磁力、强力和弱力。
希望通过这篇文章能让大家了解一下自然界中的4种基本作用力。
引力
引力的作用效果主要表现在宇观尺度，为什么说，它与我们的日常生活紧密相连呢？潮汐涨落虽然与地球和月球的引力有关，但似乎并不重要啊。
那是因为，如果没有引力，宇宙间的星系、恒星等都会不复存在，没有太阳还会有地球吗？没有地球的引力拉扯束缚着我们，我们将会因失重而飘浮起来，地球上也不会有大气和海洋。
没有引力，月球将不会绕着地球转，地球也不会绕着太阳转，宇宙将会乱套。
引力是什么？引力是如何产生的？引力有哪些性质？别着急，下面咱们来接着介绍。
拥有质量的物体之间存在相互吸引靠近的趋势，这就是引力。
按照广义相对论的解释，引力来源于物体自身质量对于时空的弯曲，质量越大的物体对时空弯曲的程度越强。
量子力学则认为引力是粒子之间交换引力子而产生的，目前该观点还属于猜想。
引力的作用是相互的，地球对人有吸引力，人同样对地球也有吸引力。
物体的质量可以衡量该物体的引力大小，也就是对时空的弯曲能力。
引力是4种基本力中作用效果最弱的一种力，两个质子间的引力仅相当于两者间电磁力强度的10^36分之一。
牛顿很早就发现了万有引力的秘密，并提出了万有引力定律。
引力属于长程力，力的作用效果随着物体间距离的增加而逐渐变弱，遵守平方反比律，即F=G（Mm/r^2）（G为万有引力常量）。
引力支配着宇宙间天体的运动及演化，不管是星系的形成，还是恒星的形成，无一不是引力的功劳。
黑洞则是引力的代表作，时空被极度扭曲，以至于连光也逃逸不出来。
电磁力
下面咱们来接着介绍电磁力。
说到电磁力，很多人可能脑子中第一印象就是电动机、发电机之类的，总之就是与电流、磁铁等有关。
先不管这些，且听我慢慢道来。
电磁力和引力一样，都是属于长程力。
电磁力的强度是引力的很多很多倍，居于4种基本力的第二位。
电磁力的作用效果主要表现在宏观尺度。
电和磁原来是分开的，后经麦克斯韦的努力，才最终完成统一。
麦克斯韦方程组是由4个偏微分方程组成的，描述了电与磁之间的相互关系。
说到电磁力就必须要说到电荷，电磁力来源于电荷。
电荷分为正电荷与负电荷，基本性质为：同性相斥、异性相吸。
在基本粒子中，夸克携带着分数电荷，电子携带着单位电荷。
由夸克构成的质子携带一个单位的正电荷，中子表现为电中性。
原子由质子、中子和电子构成，由于正负电荷的相互抵消，原子表现为电中性。
静止的电荷周围存在静电场，运动的电荷又能够产生磁场，两者本质上是一样的，统称为电磁场。
电磁力就是由电磁场来传递的。
在量子场论中，认为电磁相互作用是由光子进行传递的。
像我们中学物理学的摩擦力、弹力等，本质上都属于电磁力。
化学反应过程中释放的能量本质上属于电磁能。
电磁力随距离减小的规律与万有引力相似。
真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力遵守库仑定律，即F=K（Qq/r^2）（K为静电力常量）。
宇宙间的化合物，不管是氧气还是水，都是由原子结合而成的，而作用力就是电磁力。
如果没有电磁力，世界将会变得很混沌，地球上也就不会诞生生命了，更进化不出人类。
电磁运动规律的发现，使人类进入了飞速发展的时代，为人类进入信息时代奠定了基础。
无论是电力的广泛应用，还是无线电通信技术的发明，都依赖于这些伟大科学家的发现。
弱力
弱力是4种基本力中第三强的力，比电磁力要弱很多，强度约相当于电磁力的十亿分之一。
弱力的作用距离比强力短，作用范围大约在10^-18米之内，是4种基本力中作用距离最短的力。
（四种基本力的强度及其作用范围）
弱力只作用于夸克、电子、中微子等费米子，而对光子、胶子等玻色子不起作用。
根据量子场论的解释，费米子之间依靠交换W+、W-、Z三种玻色子来进行弱相互作用的传递。
那费米子与玻色子是什么？
简单来说，费米子为服从费米-狄拉克统计、自旋（在量子力学中，粒子的自旋是由粒子的内禀角动量引起的内禀运动，这与经典力学中的自转概念并不一样，大家了解一下就行了）为半奇数的一类粒子（例如夸克和电子的自旋都为1/2），它们遵守泡利不相容原理（即不能有两个以上的粒子出现在相同的量子态中）；玻色子为服从玻色-爱因斯坦统计、自旋为整数的一类粒子（例如光子、胶子的自旋为1），虽不遵守泡利不相容原理，但在超低温状态时可发生玻色-爱因斯坦凝聚。
自然界中的一切都是由费米子构建起来的，而玻色子则只负责传递相互作用。
（基本粒子中的费米子与玻色子）
弱力与原子的衰变有关。
大家也许知道，自然界中存在许多放射性元素，比如铀。
像铀这种不稳定的重元素，其原子核会自发的发生放射性衰变，不稳定的重元素会转变为稳定的轻元素。
（铀的衰变过程）
什么是元素的放射性衰变？
放射性衰变是不稳定原子核自发地放出射线或粒子而转变为另一种原子核的过程，整个过程中原子核会逐渐变小，主要包括α衰变（从原子核射出α粒子）、β衰变（从原子核射出正电子或负电子）和γ衰变（从原子核辐射出伽马射线）等形式。
一些元素的原子核会连续发生多次哀变，直至产生稳定原子核。
放射性同位素的半衰期长短差异极大，短的不到一秒，长的可达上亿年。
半衰期愈短的同位素，放射性也就愈强。
强力
强力是强子之间相互作用的一种力，后来科学家发现强子由更基础的夸克组成。
强力不仅名字上有个“强”，其本身的作用强度也是4种基本力中最强的，大约是电磁力的137倍。
强力的作用范围大约在10^-15米。
强力的产生与电磁力有点类似，带有电荷的粒子存在电磁力，而夸克带有色荷，强力就是带有色荷的夸克之间所具有的相互作用，色禁闭现象也正是产生于此。
强力通过交换胶子（胶子也具有色荷）而传递相互作用。
在低能量状态下，介子（介子也是强子）也充当着强力的媒介粒子。
（胶子在夸克间传递强力）
与弱力相似，强力也会引起粒子衰变（粒子衰变是一个基本粒子转变为其它基本粒子的自发过程，与放射性衰变不同）。
强衰变粒子的平均寿命极短，在10^-20～10^-24秒左右，这类粒子我们将其称之为共振态粒子，它们也是由夸克构成的。
通过粒子碰撞试验，科学家们发现了许多共振态粒子。
（中子衰变为质子的费曼图）
上过初中的都知道，原子核中的质子带一个单位正电荷，同性相斥的道理大家也都懂，质子和中子正是在强力的作用下克服库仑斥力而强行粘合在一起的，核反应与核能都与强相互作用息息相关。
总结
科学家们一直希望能够建立大统一理论，在统一的框架下，描述这4种基本力。
麦克斯韦统一了电力与磁力，更进一步，电磁力和弱力也得到了统一，并且电弱统一理论得到了非常严格的实验检验。
目前强力还没有很好的融入，引力更是一块难啃的骨头。
热爱科学的朋友，欢迎关注我。
量子引力历史观点
在物理学的历史长河中，量子理论与广义相对论之间的冲突引发过两种核心观点的讨论。
首先，一些学者认为广义相对论的几何描述并非最终答案，而仅仅是未知的背景依赖理论的一种近似体现。
这种观点在史蒂芬·温伯格的权威著作《引力与宇宙学》中有所阐述，暗示了可能存在更深层次的理论框架，尚未完全揭示。
另一种观点则强调背景独立的内在价值，主张量子力学需要适应这一原则，发展为一个不受特定时间限制的理论。
这种观念在米斯纳、惠勒与索恩合著的《引力论》中得到了深入的探讨，他们主张量子引力理论应当具备这种普适性，以统一两种理论的基本理念。
量子引力，又称量子重力，是描述对重力场进行量子化的理论，属于万有理论之一隅；主要尝试结合广义相对论与量子力学，为当前的物理学尚未解决的问题。
当前主流尝试理论有：超弦理论、循环量子引力理论、声学类比模型。
量子引力理论理论简介
量子引力理论（1）克尔解和对引力场和电磁场的分类使得经典广义相对论生机勃勃，而钱德拉塞卡在他后半辈子做的重要贡献，是在克尔时空中解出了Dirac方程。
钱德拉塞卡相当于在天空中引进了超对称。
之后钱德拉的影响就渐渐委靡，因为真正能够集大成的彭罗斯在莎麻的影响下由一个数学家成为一个广义相对论学家。
1985年彭罗斯和林德勒出版了《旋量和时空》，基本上奠定了经典相对论的格局。
wald则在弯曲时空干起了公理化的量子场论。
他开始做半经典半量子的东西。
wald的数学不错，他做弯曲时空量子场论，就是用C星代数，泛函分析。
wald的弯曲时空量子场论，明确地告诉人们：量子代数很重要。
量子代数是绝对的，而粒子，当然是相对于观察者的。
从温茹效应可以看出，真空和粒子是一个依赖于观察者的概念，这是很新奇的。
通俗的说，你看到的电脑和桌子，在别的观察者看来，也许是一片真空。
量子论和相对论的结合出来了新的物理。
最著名的当然是霍金的黑洞热辐射。
人们全在等待量子论和相对论的全面结合。
人们希望追求终极真理。
也许用数理逻辑来说明，终极的量子引力真理并不存在。
但这不会让那些做量子引力的人伤心欲绝。
弦论的领导者威腾认为，也许在别的星球上，是先发现量子引力，然后再发现量子力学和相对论。
这当然是很有可能。
但弦论有一个缺点，就是依赖于时空背景。
在这个星球之上，最优美的量子引力理论会从什么地方出来。
谁也不知道。
很多人曾经年轻，或者正在年轻，有的将要年轻，很多年轻人无法做出判断，从理智上来讲，我相信很多参数全在跑动，凝聚态很重要；从情感上来讲，相对论很优美，把它直接量子化是一件痛快的事情。
这种心情完全是普通生活的写照，多数人很普通，没有天才，没有天才的人可以相信相信量子引力以一种非理性的天才方式出现，比如当年薛定格方程的出现。
量子引力上，有二条道路，它们的出发点是广义相对论。
它们就是loop和twistor。
loop量子引力的05年会匆匆地在德国Glom结束。
lom在柏林附近，在potsdam市。
蒋中正委员长在1943年曾经去过potsdam开会，和邱吉尔和斯大林商量在盟国二战胜利以后如何处理日本。
max-planck研究院在那里有一个引力研究所，叫做爱因斯坦研究所。
德国是人才辈出的国家，数学物理上高斯，黎曼，爱因斯坦和希尔伯特，普朗克，海森堡……很多人出现在那块并不是很大的土地之上。
potsdam是一个不大的城市，显得很寂寞。
交通很方便，在那里好象是没有城市和乡村的区别，爱因斯坦研究所在一片荒草地上，应该算是农村了。
loop还很年轻，缺少数学家的帮助。
从1986年ashtekar以联络为新变量开始，到Now大约20年，20年艾虚卡已经老了，2005年loop年会的时候，会上多数报告者报告的时候必称是爱因斯坦研究所的梯曼（thiemann）的业绩，显然他已经是最有才情的新人，还不到四十岁，他已经写了一本loop量子引力的书了，《正则量子引力导引》。
另外一本书是罗维林写的，《量子引力》。
这几个人，他们影响了loop的历史轨道。
thiemann第一次到中国来,我还是一个研究生。
他给我们讲《量子引力》。
德国的马克思普郎克研究院，俗称马普所，地位相对于中国科学院，是国立的，全国各地有它的研究所，里面有一个爱因斯坦研究所，是专门研究引力的。
有一天，Thiemann来中国了，是受到我的导师的邀请来的，4月的北京已经热起来了，Thiemann穿着一件带红色的外套来了，他来给我们上几节课，从量子引力的运动学开始讲起。
那是一个周一的清早，他看上去那么年轻，好象是27岁的样子，让人非常惊异，看上去如此年轻的一个人，居然已经是这个星球上研究loop量子引力的三大领军人物之一了。
他开始讲课了，how to quantize a theory with nstraints？他在黑板上用英文写下。
经典广义相对论的时空3+1分解好了，在hamilton形式里，真空爱因斯坦方程表现为3个约束函数，如何把这3个约束量子化，然后研究量子化以后算子的解空间，这就是loop量子引力。
等量子化好了，函数变成了算子，算子要实现在什么样的希尔伯特空间上呢？也就是说，怎么样把这个算子表示成希尔伯特空间上的算子，Thiemann考虑的是用GNS构造。
他来讲学的第一天上午就这样过去了……
经典广义相对论的时空3+1分解好了，在hamilton形式里，真空爱因斯坦方程表现为3个约束函数，如何把这3个约束量子化，然后研究量子化以后算子的解空间，这就是loop量子引力。
等量子化好了，函数变成了算子，算子要实现在什么样的希尔伯特空间上呢？也就是说，怎么样把这个算子表示成希尔伯特空间上的算子，Thiemann考虑的是用GNS构造。
他来讲学的第一天上午就这样过去了……
量子代数那种量子化的方法，怎么样用到loop量子引力里来。
在loop量子引力里，最基本的可观察量就是联络沿线的和乐和标架场在一个面积上的通量了。
它们组成了和乐-通量代数。
在量子力学里，人们知道冯纽曼定理，这个定理说明，正则对易关系的表示是唯一的，那就是只有一种量子力学。
loop的进展说明，和乐-通量代数的表示也是唯一的，只有一种loop量子引力。
这生活就是一场战争,有的时候就是这样的,你需要不断地杀死别人才能保全自自己.在loop面前,敌人就是string,潜在的盟友是twistor.他们全出身于广义相对论,有了共同的阶级感情,但全失去了广阔的市场。
高尔基曾经说:真理是朴素的。
loop是朴素的。
Max-planck研究院,爱因斯坦研究所的头头是nicolai,他有一个很大的肚子,德国人喜好啤酒,所以多数人有大的肚子,但thiemann是一个例外,他也能拿着啤酒瓶子喝酒,但人却是异常清秀。
Nicolai曾经听thiemann讲过loop,他马上就跟上了,写了一个loop入门，Now他又写了一个《旁观者看loop》，文章号是hep-th/。
loop起源于对爱因斯坦方程的直接量子化。
loop理论到Now20年的发展,造就了几个中心,一个是加拿大的圆周研究所（PI）,PI的核心人物是lee smolin,smolin写了一个科普书,《通往量子引力的三条路途》。
以及他的前妻,做物理能象做菜一样的马可波罗-芙荑妮。
他们已经分手了,但分手之后,他们的爱情故事被圈内人关注,芙荑妮有了新的男朋友,smolin好象也有了新的妻子。
所以当2个人坐在一起,在饭桌上聊天,谈笑风生,其实内心有万千头绪已经50出头,前妻30出头,这一对旧人,随着时间流淌。
另外的组一个是法国的Rovelli组,一 个是美国的ashtekar组,还有就是波兰的lewandowski组,还有就是德国的thiemann组,风头最健。
loop坚持认为,在高能情景之下,引力还是用爱因斯坦方程描述,原因是因为他们认定,引力不是一种力,而仅仅是几何效应。
这种几何,甚至说微分几何,可以被推到planck时期,量子化为量子微分几何。
当然,引力为什么不是一种力,原因有很多,引力的非局域性很明显,这也是很特殊的。
比如你无法定义引力的局部能量。
penrose认为,熵和引力是一对矛盾。
一个封闭的箱子,熵使得气体分子扩散,做均匀分布,但引力全使得气体分子抱团。
所以在黑洞里,情景是黑洞熵不是跟体积成正比。
hawking证明了黑洞热辐射,得到了熵和黑洞面积成正比。
loop号称也能得到同样的结果。
hawking 的手法是半经典半量子的,好象bohr的原子论，而loop的手法是纯量子的,好象是schrodinger的量子力学。
penrose不是一个普普通通的男人,他认为世界的本质是广义相对论,甚至连波函数坍塌也有引力引起。
因此,如果penrose 可以相信,twistor和loop全是值得发展的。
引力是孤冷的,在物理学里,面对物理学其他领域的飞速发展和技术实现,引力显得有点绝望了。
但事实说明,从牛顿到爱因斯坦,非常杰出的人全对引力入迷。
很多年前学狭义相对论,我觉得很吃惊的是:一切事情已经发生(存在),只是不同的观察者看到不到的场景。
仅仅是事情的因果关系还是一致的,对每一个观察者全一样。
从广义相对论看来,这个理论里存在世界线,世界线全是给定的,所以似乎人类没有自由意识。
但世界线之间的相互碰撞不能避免。
这可能就是自由意志起作用的地方？相对论很优美,这可以从penrose的看出来。
经典广义相对论已经被penrose终结。
但还剩下一些比如准局部能量的问题。
这些问题的背后会给物理学一个新的刺激。
到了Now,我们居然不知道什么是重力势能? 当然相对论也有无能的地方,最简单的3体运动,在牛顿引力就无比复杂,不知道在广义相对论中如何表达这个问题。
在电影《终结者2》中,有一个场景,那就是女主角在桌子上用匕首刻下2个字:no fate。
她的意思是说,命运并不存在,人力可以有所作为。
这说明,事情纵然凄惨,也许美丽。
这也正是loop量子引力之梦。
物理理论，量子是物质粒子的非连续运动，而所有的量子困惑都起源于这种非连续运动。
量子理论与引力的结合，即量子引力理论，目前还处于研究阶段。
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