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宇宙存在四种作用力,分别是电磁力、强力、弱力和万有引力,物理学家相信,★这四种力在宇宙初期是同一种力,所以可以用同一套理论来描述。★其中前三种力在量子论中得到了统一,都可以用粒子交换来解释,电磁力由光子交换而来,弱力由弱规范玻色子换而来,强力由胶子交换而来。
******************************************************** 以上说法是胡說八道,歪曲統一含義!!!★电磁力、强力、弱力根本就没有统一!!!★ |
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宇宙存在四种作用力,分别是电磁力、强力、弱力和万有引力,物理学家相信,★这四种力在宇宙初期是同一种力,所以可以用同一套理论来描述。★其中前三种力在量子论中得到了统一,都可以用粒子交换来解释,电磁力由光子交换而来,弱力由弱规范玻色子换而来,强力由胶子交换而来。
******************************************************** 以上说法是胡說八道,歪曲統一含義!!!★电磁力、强力、弱力根本就没有统一!!!★ |
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俱往已，数风流人物还看今朝 在量子力学中，所有物质粒子之间的力或相互作用都认为是由自旋为整数0、1或2的粒子承担。物质粒子——譬如电子或夸克——发出携带力的粒子，由于发射粒子所引起的反弹，改变了物质粒子的速度。携带力的粒子又和另一物质粒子碰撞从而被吸收。这碰撞改变了第二个粒子的速度，正如同两个物质粒子之间存在过一个力。 携带力的粒子不服从泡利不相容原理，这是它的一个重要的性质。这表明它们能被交换的数目不受限制，这样就可以产生很强的力。然而，如果携带力的粒子具有很大的质量，则在大距离上产生和交换它们就会很困难。这样，它们所携带的力只能是短程的。另一方面，如果携带力的粒子质量为零，力就是长程的了。在物质粒子之间交换的携带力的粒子称为虚粒子，因为它们不像“实”粒子那样可以用粒子探测器检测到。但我们知道它们的存在，因为它们具有可测量的效应，即它们引起了物质粒子之间的力，并且自旋为0、1或2的粒子在某些情况下作为实粒子而存在，这时它们可以被直接探测到。对我们而言，此刻它们就呈现出为经典物理学家所说的波动形式，例如光波和引力波。当物质粒子以交换携带力的虚粒子的形式而相互作用时，它们有时就可以被发射出来。（例如，两个电子之间的电排斥力是由于交换虚光子所致辞，这些虚光子永远不可能被检测出来；但是如果一个电子穿过另一个电子，则可以放出实光子，它以光波的形式为我们所探测到。） 携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强调指出，将力划分成四种是种人为的方法；它仅仅是为了便于建立部分理论，而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理论，该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。确实，许多人认为这是当代物理学的首要目标。最近，将四种力中的三种统一起来已经有了成功的端倪——我将在这章描述这些内容。而关于统一余下的另一种力即引力的问题将留到以后再讨论。 第一种力是引力，这种力是万有的，也就是说，每一粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有两个特别的性质，我们根本就不可能注意到它。这就是，它会作用到非常大的距离去，并且总是吸引的。这表明，在像地球和太阳这样两个巨大的物体中，所有的粒子之间的非常弱的引力能迭加起来而产生相当大的力量。另外三种力或者由于是短程的，或者时而吸引时而排斥，所以它们倾向于相互抵消。以量子力学的方法来研究引力场，人们把两个物质粒子之间的引力描述成由称作引力子的自旋为2的粒子所携带。它自身没有质量，所以所携带的力是长程的。太阳和地球之间的引力可以归结为构成这两个物体的粒子之间的引力子交换。虽然所交换的粒子是虚的，它们确实产生了可测量的效应——它们使地球绕着太阳公转！实引力构成了经典物理学家称之为引力波的东西，它是如此之弱——并且要探测到它是如此之困难，以致于还从来未被观测到过。 另一种力是电磁力。它作用于带电荷的粒子（例如电子和夸克）之间，但不和不带电荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力强得多：两个电子之间的电磁力比引力大约大100亿亿亿亿亿（在1后面有42个0）倍。然而，共有两种电荷——正电荷和负电荷。同种电荷之间的力是互相排斥的，而异种电荷则互相吸引。一个大的物体，譬如地球或太阳，包含了几乎等量的正电荷和负电荷。由于单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全抵消了，因此两个物体之间纯粹的电磁力非常小。然而，电磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在带负电的电子和带正电的核中的质子之间的电磁力使得电子绕着原子的核作公转，正如同引力使得地球绕着太阳旋转一样。人们将电磁吸引力描绘成是由于称作光子的无质量的自旋为1的粒子的交换所引起的。而且，这儿所交换的光子是虚粒子。但是，电子从一个允许轨道改变到另一个离核更近的允许轨道时，以发射出实光子的形式释放能量——如果其波长刚好，则为肉眼可以观察到的可见光，或可用诸如照相底版的光子探测器来观察。同样，如果一个光子和原子相碰撞，可将电子从离核较近的允许轨道移动。这样光子的能量被消耗殆尽，也就是被吸收了。 第三种力称为弱核力。它制约着放射性现象，并只作用于自旋为1/2的物质粒子，而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用。直到1967年伦敦帝国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格提出了弱作用和电磁作用的统一理论后，弱作用才被很好地理解。此举在物理学界所引起的震动，可与100年前马克斯韦统一了电学和磁学并驾齐驱。温伯格——萨拉姆理论认为，除了光子，还存在其他3个自旋为1的被统称作重矢量玻色子的粒子，它们携带弱力。它们叫 、 和 ，每一个具有大约100吉电子伏的质量。上述理论展现了称作自发对称破缺的性质。它表明在低能量下一些看起来完全不同的粒子，事实上只是同一类型粒子的不同状态。在高能量下所有这些粒子都有相似的行为。这个效应和轮赌盘上的轮赌球的行为相类似。在高能量下（轮子转得很快时），这球的行为基本上只有一个方式——即不断地滚动着；但当轮子慢下来时，球的能量就减少了，最终球就陷到轮子上的37个槽中的一个里面去。换言之，在低能下球可以存在于37个不同的状态。如果由于某种原因，我们只能在低能下观察球，我们就会认为存在37种不同类型的球！ 在温伯格——萨拉姆理论中，当能量远远超过100吉电子伏时，这三种新粒子和光子的行为方式很相似。但是，大部份正常情况下能量要比这低，粒子之间的对称就被破坏了。 、 和 得到了大的质量，使之携带的力变成非常短程。温伯格和萨拉姆提出此理论时，很少人相信他们，因为还无法将粒子加速到足以达到产生实的 、 和 粒子所需的一百吉电子伏的能量。但在此后的十几年里，在低能量下这个理论的其他预言和实验符合得这样好，以至于他们和也在哈佛的谢尔登·格拉肖一起被授予1979年的物理诺贝尔奖。格拉肖提出过一个类似的统一电磁和弱作用的理论。由于1983年在CERN（欧洲核子研究中心）发现了具有被正确预言的质量和其他性质的光子的三个带质量的伴侣，使得诺贝尔委员会避免了犯错误的难堪。领导几百名物理学家作出此发现的卡拉·鲁比亚和发展了被使用的反物质储藏系统的CERN工程师西蒙·范德·米尔分享了1984年的诺贝尔奖。（除非你已经是巅峰人物，当今要在实验物理学上留下痕迹极其困难！） 第四种力是强作用力。它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。一般认为，称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强作用力。它只能与自身以及与夸克相互作用。强核力具有一种称为禁闭的古怪性质：它总是把粒子束缚成不带颜色的结合体。由于夸克有颜色（红、绿或蓝），人们不能得到单独的夸克。反之，一个红夸克必须用一串胶子和一个绿夸克以及一个蓝夸克联结在一起（红+绿+蓝=白）。这样的三胞胎构成了质子或中子。其他的可能性是由一个夸克和一个反夸克组成的对（红+反红，或绿+反绿，或蓝+反蓝=白）。这样的结合构成称为介子的粒子。介子是不稳定的，因为夸克和反夸克会互相湮灭而产生电子和其他粒子。类似地，由于胶子也有颜色，色禁闭使得人们不可能得到单独的胶子。相反地，人们所能得到的胶子的团，其迭加起来的颜色必须是白的。这样的团形成了称为胶球的不稳定粒子。 强相互作用 strong interaction 自然界四种基本相互作用中最强的一种。最早研究的强相互作用是核子（质子或中子）之间的核力，它是使核子结合成原子核的作用。自1947年发现与核子作用的π介子以后,实验陆续发现了几百种有强相互作用的粒子，这些粒子统称为强子。 强相互作用与其他相互作用相比有如下一些特点：①强度大。电磁相互作用的强度可以用一个称为精细结构常数的量 来表示,这里 是电子的电荷，2πh是普朗克常数,c是光速。如果强相互作用 也用一个与电 。因此强相互作用比电磁相互作用强102～103倍。②强相互作用不像引力和电磁作用那样是长程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程长，约为10-13cm。大约等于原子核中核子间的距离。③强相互作用比其他三种基本作用有更大的对称性，也就是说，在强相互作用中有更多的守恒定律。除实验中还没有发现破坏的能量、动量、角动量、电荷、重子数和轻子数守恒外，强作用还有在弱作用或电磁作用中被破坏的宇称、C宇称、同位旋、奇异数守恒及粲数和底数守恒。除此以外,强作用还有一些近似的对称性，如SU(3)味对称和手征对称性。④20世纪70年代以来，在深度非弹性散射等一系列高能量实验中发现一些新现象，借助于一些理论分析，它们可解释为强作用在短距离(小于10-14cm)处随距离减小而变弱。 对强相互作用本质的了解长期以来是物理学中的困难问题。人们曾经提出过许多处理强作用的理论和方法，它们取得的成就都很有限。原因之一是理论中没有小参量，因而找不到可靠的近似方法。人们由强子的夸克模型和规范场的概念出发提出量子色动力学。在这个理论中，强作用是组成强子的夸克之间通过一些称为胶子的规范粒子场传递的作用。这个理论有在小距离处作用变弱的性质。它已取得一些成就，被认为是有希望的强作用基本理论。 ※※※※※※ 科学求真；宗教求善；艺术求美 |