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2018-10-01介紹自然界的力
586 期
Author 作者
蘇明德／英國劍橋大學理論化學博士，現任國立嘉義 大學應用化學系高雄醫學大學醫藥暨應用化學系合聘 教授。
根據科學研究，自然界中存在 著 4 種基本作用力： （1）萬有引力 （2）電磁力 （3）原子核內強作用力 （4）中子衰變的弱作用力本文在此做簡單的介紹。
物理學上任何具體的運動形式（機械相關、熱相關等）都可以從一個物體傳遞至另一個物體，這種傳遞的形式，亦即從一個物體對另一物體物理作用的度量，稱為「力（force）」。 如同物質的運動，力不能與物質分割。自然界沒有，也不可能有任何非物質的超自然力。
科學是如何說明自然界的力呢？原來一切事物及無數的自然過程中，在極 大程度上可以解釋為物體間的3種相 互作用：「引力作用」、「電磁作用」及「核子作用」。對應於這些作用就 有3種基本形式的力：「引力（又稱 重力）」、「電磁力」及「核子力」。
引力
引力，是 1687 年由英國科學家牛頓 （Isaac Newton，圖一）發現的。引力存在於任何具有質量的物體之間，也就是萬物皆具有。其大小與相互作用的物體質量乘積成正比，而與物體間的距離平方成反比，屬於「遠距離 的作用力」。 假使拿2個質量比較不大 的物體，兩者間的引力相對很小，例 如，2人各重60公斤，距離10公尺， 彼此之間的引力總共只有20 克。而 原子與分子間、電子與原子核間的引力更是小到難以估計。原子尺度下的引力與電磁力相比，幾乎可以忽略。
但地球與太陽等物體間的相互作用卻完全是另一種情況，地球與太陽的引 力有3×1018 噸。地球與月亮及太陽系 星球間的引力也都相當巨大（圖二），即使和宇宙中相隔非常遙遠的銀河系也有相互作用的引力存在。
引力，也可以在地球上感覺到，從地球上的各個物體都有一定的重量而察覺，這種引力就是俗稱的萬有引力，例如某人體重60 公斤，即指地球以 60公斤的力吸引他的身體。地球上比 較不大的物體具有較大的重量這個事實，說明了地球的質量是很大的。雖然引力作用的物理本質還很不明確，但有一點是無可爭論的：引力不涉及任何超自然的概念，它是可以度量的，並且在度量的基礎上，可以作出行星、恒星及其它天體運動性質的重要結論。更重要的是，歷史上引力的發現曾對宗教所描繪的宇宙及太陽系構造觀點給予致命的打擊。由於萬有引力定律的發現，科學家才能根據太陽對行星的吸力及行星間的相互作用力精確地計算行星的軌道。正因如此，過去的歷史曾證明，在藉由望遠鏡裏觀測星球之前，利用純理論方法便可預言未知星球的存在。
電磁力
電磁力，是比引力更複雜、更多樣性的一種力。電力是由帶電物體間的電荷相互作用引起；而磁力則由電流間的相互作用引起。在這個領域 之中，英國科學家法拉第（Michael Faraday，圖三）的主要功績是把物 質的「電場」與「磁場」概念引入物 理學中。在 19 世紀以前，物體間的 相互作用一直是被認為是透過虛無空間的相互作用之「遠距離作用理論」。但這個理論卻被法拉第提出的「近距離作用理論」所取代。根據法拉第的理論，相互作用的物體周圍會產生 「場（field）」，一個物體的作用經 由場才能傳遞給另一物體。因此，直接作用在已知物體上的是另一物體產生的場，而非該物體本身，由此可以明確表明力與場概念的關係。
電磁現象在我們周圍的宇宙中扮演極其重要的作用，因為一切原子是由各種帶電的「基本粒子」組成的。在原子核的組成成份中，才有中性的粒子 ——「中子（neutron）」。
同性電荷相斥，異性電荷相吸，假使電荷是相對靜止的，那麼電荷只需藉 由電場而產生相互作用。2 個點電荷 間相互作用的力是與電荷量大小成正比，並除以電荷之間距離的平方——與前面的牛頓引力定律相同。
但是當電荷開始運動，電荷便會在周圍空間產生與電場並存的磁場，這磁場的大小、方向與電荷的遠近及電荷運動的性質有關。磁場中也有力作用在其它電荷上，磁場對不運動的電荷一般是不作用的，而電場與磁場則是極緊密地相互聯繫著的。......【更多內容請閱讀科學月刊第586期】