1. Interacción gravitacional
La interacción entre todos los objetos con masa se manifiesta como gravedad, que es una fuerza de gran distancia a una distancia infinita. Su ley es la ley de gravitación universal de Newton y una teoría más precisa es la relatividad general. ¿Es la más débil de las cuatro interacciones básicas, muy inferior a las interacciones fuertes? La interacción electromagnética y la interacción débil normalmente se ignoran en el estudio de los fenómenos microscópicos, pero desempeñan un papel decisivo en el estudio de la astrofísica. Según el punto de vista de la física moderna, el efecto gravitacional se realiza a través de los cuantos del campo o campo de intercambio, y los cuantos del campo gravitacional se denominan gravitones. La interacción gravitacional, denominada gravedad o gravitación, es la más débil de las cuatro interacciones básicas, pero al mismo tiempo tiene la mayor gama de efectos (no se anulan entre sí como las fuerzas electromagnéticas). Pero a medida que aumenta la distancia, disminuye la influencia de las interacciones gravitacionales. A diferencia de otras interacciones, la gravedad actúa ampliamente sobre toda la materia. Debido a su amplio rango de acción, cuando la masa de una sustancia es particularmente grande, las propiedades relacionadas con la sustancia y la carga de la sustancia a veces pueden ignorarse relativamente.
2. Interacción electromagnética
La interacción entre objetos cargados u objetos con momentos magnéticos es una fuerza de largo alcance con un rango de fuerza infinito. La fricción macroscópica, la elasticidad y diversas interacciones químicas son esencialmente manifestaciones de interacciones electromagnéticas. Su intensidad es superada sólo por la interacción fuerte y ocupa el segundo lugar entre las cuatro interacciones básicas. La interacción electromagnética es la más claramente estudiada y sus leyes se resumen en las ecuaciones de Maxwell y la fórmula de fuerza de Lorentz. Una teoría más precisa es la electrodinámica cuántica. La electrodinámica cuántica es una teoría física precisa. Según la electrodinámica cuántica, la interacción electromagnética se transmite mediante el intercambio de cuantos (fotones) del campo electromagnético, lo que bien puede explicar la generación y aniquilación de partículas positivas y negativas, los momentos magnéticos anómalos de electrones y muones (ver momento magnético de las partículas), azul Efectos electromagnéticos sutiles causados por la polarización del vacío, como el cambio Em. Los cálculos teóricos concuerdan bien con los experimentos. La desintegración de partículas causada por interacciones electromagnéticas se llama desintegración electromagnética. La primera transición nuclear γ observada fue la desintegración electromagnética, las otras fueron π0 → γ γ. La vida media de las partículas de desintegración electromagnética es de 10-16 ~ 10-20 segundos (s).
3. Interacción débil
La desintegración beta nuclear más temprana observada es un fenómeno de interacción débil. La interacción débil solo funciona a escala microscópica, tiene el rango de fuerza más corto y su fuerza ocupa el tercer lugar después de la interacción fuerte y la interacción electromagnética. Su simetría es pobre y muchas leyes de conservación se destruyen bajo interacciones fuertes e interacciones electromagnéticas (ver leyes de simetría y conservación). Por ejemplo, la conservación de la paridad no se cumple bajo efectos débiles. La teoría de la interacción débil es una teoría unificada de la electrodebilidad. La interacción débil se transmite mediante el intercambio de bosones intermedios (bosón W y bosón Z). La desintegración de partículas causada por interacciones débiles se denomina desintegración débil y la vida útil promedio de las partículas en descomposición débil es superior a 10-13 s. La desintegración beta nuclear más temprana observada es un fenómeno de interacción débil, y cualquier reacción que involucre neutrinos es un proceso de interacción débil. La interacción débil solo funciona a escala microscópica y su rango de fuerza es el más corto (alrededor de 10 a 18 m, más pequeño que la interacción fuerte). La interacción débil se llama así porque es más débil que la interacción fuerte y la interacción electromagnética. Hay dos tipos de interacciones débiles. Una es la reacción que involucra leptones (e, neutrinos ν, muones y sus antipartículas), como la desintegración beta, la desintegración de muones y la desintegración de piones. La otra es la desintegración de los mesones κ y los hiperones π.
Una característica de las interacciones débiles es la baja simetría.
En las interacciones débiles, la simetría de la reflexión espacial, el yugo de carga y la inversión del tiempo se destruyen. Los números cuánticos como el isospin, el número impar, el número charm y el número cardinal que se conservan en una interacción fuerte no se conservan.
Aunque la interacción débil y la interacción electromagnética son muy diferentes, son similares. Los flujos que interactúan débilmente se conservan como corrientes eléctricas y también están vinculados por simetrías. A finales de la década de 1960, se propuso una teoría de calibre unificada de interacción débil e interacción electromagnética. El modelo estándar de calibre unificado de corrientes débiles es consistente con todos los experimentos de interacción débil de baja energía. El bosón intermedio predicho en la teoría también fue descubierto en 1983.
4. Interacción fuerte
Primero se reconoció que la fuerza nuclear entre protones y neutrones pertenece a la interacción fuerte, que es la fuerza que combina protones y neutrones para formar el núcleo. Más tarde, se comprendió que los hadrones están compuestos de quarks y que la interacción fuerte es la interacción entre quarks. Los movimientos fuertes son el poder más fuerte y de corto alcance. Su teoría es la cromodinámica cuántica. La interacción fuerte es un tipo de interacción de color, que es la interacción entre quarks y cargas de color. Las cargas de color interactúan intercambiando ocho gluones. Cuando la energía no es muy alta, la partícula intermedia que interactúa fuertemente es el mesón. La interacción fuerte tiene la simetría más fuerte y sigue la mayoría de las leyes de conservación. La desintegración de partículas causada por una interacción fuerte se denomina desintegración fuerte. La vida media de las partículas de desintegración fuerte es la más corta, oscilando entre 10-20 y 10-24 s. Las partículas de desintegración fuerte se denominan partículas inestables o estados vibratorios. La interacción fuerte es la fuerza que actúa sobre los hadrones. Es la fuerza fundamental más fuerte de los cuatro universos conocidos y tiene la segunda distancia más corta (alrededor de 10 [-15] m, que es mayor que el alcance de la interacción débil). La fuerza nuclear entre nucleones es una interacción fuerte que resiste la fuerte fuerza electromagnética entre protones y mantiene la estabilidad del núcleo atómico. Los físicos creen ahora que la interacción fuerte está relacionada con los quarks y los gluones. La interacción fuerte tiene mayor simetría que las otras tres interacciones fundamentales, es decir, hay más leyes de conservación en la interacción fuerte. La interacción fuerte no es una fuerza de largo alcance como la gravedad y la interacción electromagnética, sino una fuerza de corto alcance. Pero su rango de fuerza es más largo que el de la interacción débil, que es de aproximadamente 10 [-15] m, aproximadamente igual a la distancia entre los núcleos en el núcleo.
Comprender la naturaleza de la interacción fuerte siempre ha sido un problema difícil en física. Se han propuesto muchas teorías sólidas de interacción, pero sus resultados son limitados. Una razón es que no existen parámetros pequeños en la teoría, por lo que no existe un método de aproximación confiable. La cromodinámica cuántica se propuso basándose en el modelo de quarks de hadrones y el concepto de campos de calibre. En esta teoría, la interacción fuerte es la interacción entre los quarks que forman los hadrones a través de campos de partículas calibre llamadas gluones. Esta teoría tiene la propiedad de debilitarse a distancias pequeñas y se considera una teoría básica prometedora de interacciones fuertes.