当前课程知识点：力学与现代生活——开启科学人生 > 第一章 现代生活——力学知多少？ > 1-3-1 力的起源：四种基本相互作用力 > Video
欢迎大家再次来到
《力学与现代生活-
开启科学人生》的课堂！
现在我们给大家讲解 第一章的第三节
“力的起源：
我们关注的力世界”
看看 力学究竟是什么，
也就是第一章的 第四、第五个知识点。
在这节课程里面，
首先我们给大家介绍
宇宙自然界里面
也就是物质界的“四种基本相互作用力”，
包括 统一描述它们的
“大统一理论”和“弦理论”，
从中大家可以了解力的起源，
人类认识从微观到空观世界的
一些无奈的感悟，
以及柳暗花明的量子意识的研究成果(注:此内容将略去!)，
最后给大家明确一下：
在我们的现代生活以及这门课程中
所关注的有什么力，
以及力学研究的分支学科。
下面我们首先来看看
自然界的四种基本相互作用力。
那么 其实呢 宇宙自然界
或者叫物质界，
它有基本的相互作用力。
近代物理学呢 认为：
万物 都由四种自然力构建！
这种四种自然力呢 在这里列出来：
一个是叫‘万有引力’--
这个大家比较清楚，
第二种 叫‘电磁力’，
第三种呢 叫‘强相互作用力’，
第四种呢 叫‘弱相互作用力’。
这几个作用力 到底怎么回事--
待会儿我们会给它们一个解释。
我们先看看 这几种相互作用力--
这里有一个表呢 做一个简单地比较，
这个表呢 大家不用太多关注、
我们只关注其中的
比如说 它的作用力的范围--
我们叫‘力程’。
我们知道 万有引力--
第一种呢 它是属于长程的，
也就是说 你不论相距多远，
这个作用力都是存在的--
两个物体之间、两个星球之间
都会有这种引力。
那么 弱相互作用力呢 它属于短程的，
包括强相互作用力 也属于短程的。
那么 它的作用的范围呢
我们看 已经是小于10的负16次方 米--
那么 就达到费米级的了！
这显然是 微观世界里面的。
那么 电磁作用力 也叫长程的，
这个长程的话 跟万有引力没法比，
那么 待会儿我们看看 我们实际生活中
都属于电磁力！
还有 它们的相对强弱--
引力 可以说 是这里面最弱的！
我们这里面 如果把这个短程的强相互作用力--
把它按照 1 这个量级来比的话，
那么 万有引力呢 它是在 10的负39次方
这么一个量级，
非常弱！是吧
那么 跟这个强相互作用相比 非常弱！
弱相互作用呢 是10的负15次方，
而电磁作用力呢
就是我们生活中常遇到的这些力，
在173分之1 这么一个量级上。
比如说 强相互作用力，
实际上 它属于强核力，
我们研究核能、核弹的爆炸 这里边这些
核子之间的间距 小于1个费米，
这时候表现为‘斥力’--
相互排斥，
那么距离减小呢 斥力增大；
那么达到 1到2费米呢
两个粒子之间 成了相互吸引的状态；
大于2个费米呢 又下降、消失...
这个弱相互作用力呢 它这个作用范围 都是在变化--
很复杂！ 可以说。
那么 从这个排序来看 我们看
万有引力 最弱、
电磁力 次强、
那么 强相互作用力 最强、
弱相互作用力 次弱。
所以，这个 强相互作用力 排第一 最强，
电磁力 排第二，
这个弱相互作用力 第三，
万有引力 第四。
我们看看 万有引力--
我们做一个解释：
这个 作用于所有物体之间，
把星系结合起来，引起一根针下落，
两个物体之间 质量越大、越靠近--
引起的引力越强，
就是牛顿的万有引力公式啦--
与距离平方成反比。
它是由什么来携带的呢？
各种引力它都有一个传播介质，
那么物理界把它认为是属于‘重力子’
来携带的，
当然这个重力子 目前还没有找到；
那么 电磁力呢
它是作用于所有的带电粒子之间--
比如电子间，
还有 这个固体原子与分子之间的作用力，
使得固体 具有硬度、具有磁性、
具有发光特性，
我们说 它是由‘光子’携带，
(光子 是产生光线的啦
光子 是已经被发现的了)
它的大小呢 比万有引力高出10的36次方倍！
我们平常生活接触到的 像书桌啊
书啊 作用的压力啊
还有 我们的摩擦力啊...这些
相互作用力、推力 都属于 电磁力范畴；
强相互作用力 又叫‘强核力’，
它存在于原子核里面的--
把原子内的中子
和带正电的质子结合在一起，
由这个‘胶子’携带，
比这个万有引力 又高出10的39次方倍！
我们看 原子弹爆炸--
原子核里面的质子、
中子之间的作用；
那么 弱相互作用力 也叫‘弱核力’，
它是 引起这个 放射性的衰变，
使原子核破裂、造成的所谓的‘β衰变’--
β衰变有个曲线，进入到非常微观的
放射性原子 不稳定，
原子核内部呢 容纳了太多中子，
当β衰变的时候，
中子变成质子 释放电子--
产生β粒子，
它是由这个所谓的‘W粒子’和‘Z粒子’携带，
我们不再详细说了。
它是比引力高出10的24次方倍的！
那么 在研究相互作用力--
四种相互作用力 里面，
有一个所谓的“大统一理论”。
那么 大统一理论呢 也叫“科学终极理论”，
也叫“万物之理”--
Theory of Everything --TOE。
它是干嘛呢？
它是：试图用同一组方程式
来描述全部基本粒子和力
的物理性质的理论 或者模型。
其实呢 它是一种还没有找到的
“终极高度统一的理论”。
那么 我们这个伟大的科学家爱因斯坦
曾经也试图想找到这么一个
终极统一理论，
在逝世之前 还没有实现啦
为这个科学设想呢 提供个终极目标而已，
也算是我们物理学界的多年的梦想...
所以我们说 它是“一个美好的蓝图”！
那么 这个大统一理论呢
当然 它的目标 是这样的--
有一些基本的观点：
我们刚才说的四种相互作用力
都源于所谓的物质的‘基元’，
基元是什么呢 把它叫‘游空子’；
还有 另外的空间基元 叫‘静空子’；
它们之间、
与物质基元与空间基元之间的相互作用，
还有所谓的‘游空子’与‘静空子’之间的
相互作用；
那么 终极 源于宇宙最根本的规则--
叫做‘平衡趋势’，
也就是 ‘同性相斥、异性相吸’ 这样的，
那么最终使得这个 宇宙呢 从平衡趋势
加上逆平衡趋势，
这两个互相的交替、成为永恒,
这样不断的循环下去...
应该说 宇宙这样的平衡趋势 交替--
逆平衡 和 正平衡，
这样成为一种永恒的、美丽的宇宙的过程...
但是呢 如果按照这样的一些
大统一理论目标呢 可能会造成所谓的
“大统一力下的宇宙塌陷”--
我们看 叫：cos-collapse
这是在霍金的《时间简史》里面提到的；
还有呢 正面的预测呢 就是所谓的
“量子纠缠”现象，
我们回头 再讲量子纠缠的一些过程、
一些原理。
那么 在微观世界的认识里面，
我们刚才也提到了
弦理论呢 它也提供了一些有益的思考，
它的基本观点是这样的--
就是：自然界
它的基本单元呢 不是我们前面的
光子、中微子、夸克之类的点状的粒子，
而是很小很小的线状的 “弦”，
就像我们弹琴 钢琴上的弦一样的；
它有端点的“开弦”，还有
封闭的圈 或者是椭圆的 那样的“闭弦”，
所以是“开弦”、“闭弦”两种；
那么 弦的不同振动和运动
会产生不同的粒子，
构成所有物质的最基本单位--
是一小段儿的“能量弦线”，
我们把它叫‘弦子’。
大到银河系 小到基本粒子
都是由占有二维时空的“弦子”组成。
那么像小提琴琴弦的振动一样，
弦子有一定的振荡模式和共振频率，
它的波长准确地配合，
弦尺度非常小，
存在着几种尺度较大的这种薄膜状的物体--
叫做“膜”， 这是它的第一个基本观点；
第二种呢：
能量和物质 是可以相互转化的，
所以呢 弦理论不是说证明物质不存在，
那么它 既然弦子只有能量和信息的话，
它并不代表没有物质的存在；
第三个：
“我们的宇宙”呢 可能存在有11维的空间--
也就是4维时空 加上 其他7个
没有被发现的维度，
甚至可以推广到 26维 额外维的空间，
也就是从数学证明--
我们的宇宙可能存在26维空间，
甚至 因此 从“弦理论”
我们可以推测可能甚至有
‘平行宇宙、多重宇宙’的概念。
有人说：弦理论可能是现在最有希望
将自然界的基本粒子和四种相互作用力
统一起来的这么一个 接近于大统一理论吧！
比如说 现在根据弦理论发展起来的
“超弦理论”，可以解决与黑洞有关的问题。
好 现在给大家提个问题--
我们除了四种相互作用力，
还有没有 其它
第五、第六
更多种的基本相互作用力呢？
回答呢 应该说是肯定的！
宇宙质量 90%以上 由暗物质构成，
我们现在看到的、接触到的物质
只占不到10%，
5% 有的说。
但是 暗物质呢 始终没有被清晰的认知到，
而且这个 ‘粒子物理标准模型’呢 难以解释
很多暗物质、反物质这样的现象，
可以说 人类对宇宙认知非常 非常少！
那么 物理学家呢 相信一定还有其他的
基本相互作用力的存在！
比如说 第五种：
清华大学 粒子物理学博士 莫方
说了一段话：叫
“第五种相互作用还没有定论，
我们不知道它是什么东西，
任何一种新的相互作用
都可能是第五种相互作用。”
关于这个 对宇宙的认识呢
再给大家 提供一些“大家们”的
无奈的思考，
无奈的感悟、哲学思考--
比如说 第一个：
说“我们的宇宙 其实是镜像宇宙
与真实的宇宙是不同的，
后者可能是一个能量的虚空”
还有一种说法：
“我们习惯称为物质的东西 都只能是能量，
实际上 桌子上 摆放的这些实体物质，
可能都是空的，
实体形状 其实是能量聚集体
在人脑中的反映，
因为我们视力不能穿透这些能量聚集体，
便有物的概念”
还有：“宇宙中存在更多不为人
或者生物所能感觉到的东西，
人类的感官分辨能力非常有限，
我们检视波段--
检视的频率波段呢 十分窄小，
只能对宇宙中部分物体有感觉 或者显影，
即使用检测工具，
人类所能感觉到的物质世界
其实只是真实世界的一小部分”；
还有这个：“人类只是把自己
能感觉和彰显的部分 称为宇宙。”
最近也看到一个信息--
也就是Science这个杂志公布了
还有人类没有回答的125个问题，
需要解答的，
我们可以查一查。
-1-1-1 认识自然：人感知的力、遨游宇宙人生
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-1-1-2 天地人的几个世界：人类对宇宙天地的认识理论
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-1-1-3 相对论、黑洞、引力波
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--外部链接
-第一周作业--作业
-1-2-1 物质：从宏观到微观
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-1-2-2 量子世界
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-1-3-1 力的起源：四种基本相互作用力
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-1-3-2 我们关注的力世界之力学及其分支
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-1-4-1 力学在现代生活中的作用━I
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-1-4-2 力学在现代生活中的作用━II
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-2-1 力学发展的三阶段：三个基本常数
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-2-2-1 科技长河波澜壮阔：人类文明与科技发展六时代
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-第三周作业--作业
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-2-2-3 近500 年重大科技之花━II
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-第四周作业--作业
-2-2-4 世界科技贡献率：中国科技现状与希望曙光
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-2-3-1 必须点赞的科学四巨人：唯一与现代科学相通的天才
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-2-3-2 现代科学之父
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-2-3-3 人类最伟大的科学伟人
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-2-3-4 人类宇宙头等光辉的巨星、历史启迪
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-第五周作业
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-第五周作业--作业
-3-1 力学范畴、质点运动与动力学
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-3-2-1 刚体静力学：力与力矩
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-3-2-2 力系、力偶、约束、平衡
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-3-2-3 受力分析与计算
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-第六周作业
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-第六周作业--作业
-3-3-1 弹塑体材料力学：材料发展简史与工业革命
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-3-3-2 四种基本变形与强度、刚度、稳定性概念
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-3-4 应力、应变分析计算与强度设计
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-4-1-1 “动态”力世界
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-第四章 “动”力世界——振动与波--第七周作业
-4-1-2 振动与波分类、基本振动分析模型
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-4-1-3 共振、减振与防震案例
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-4-2-1 地震与地震波
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-4-2-2 声与声波
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-4-3 静、动力学实验分析方法
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-第八周作业--作业
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-5-2 人类飞行简史、里程碑式飞机、最大飞机
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-5-3-1 流体动力学：从运动中采集活力
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-5-3-2 马格努斯效应、飞机升力、风洞
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-第九周作业--作业
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-5-4-2 层流、湍流、卡门涡街
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-5-4-3 汽车阻力、飞机尾翼和起落架
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-5-5 超音速飞行：从“噩梦”到现实
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-5-6 飞天：从“火箭”到“阿波罗登月”、空天技术未来
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-第十周作业--作业
