宇宙四種相互作用,有一種你肯定知道

2020-12-05 萌大叔的科普與剪輯

「離婁之明,公輸子之巧,不以規矩,不能成方圓。」這是出自戰國《孟子·離婁上》的一句話,意思「像從前離婁那樣精明的眼睛,公輸般那樣的巧匠,不憑規和矩,是畫不成方圓的」,後來有了「無規矩,不成方圓」真理。宇宙也是一樣,自大爆炸以來,宇宙在無窮無盡的變化著,才形成現在的宇宙,並將繼續日新月異著。看似不規則的世界,卻冥冥中早有安排,而這些安排無時無刻不影響著宇宙。自然界中存在著四種相互作用,可以理解為規則,假如沒有它們,無法想像我們的過去、現在、未來將怎麼樣。

一、宇宙第一主宰--萬有引力

在霍金大爆炸理論中闡述,萬有引力創造了璀璨的宇宙,將氣體、微粒、塵埃聚集起來,形成了今天各種元素,進而形成星雲、星系、星球,形成了我們耀眼的太陽、明亮的月亮、多彩的地球。如果沒有萬有引力,地球就不會被約束在恰當的位置,剛剛好的距離,剛剛好的溫度,享受著太陽的福澤。而我們會成為「孤魂野鬼」,成為「流浪地球」。在宏觀世界,萬有引力才起作用,它遵循著牛頓力學定律,即萬有引力正比於物體的質量。而在微觀世界的原子、分子之間的引力完全可以忽略不計。

二、構建世界的神--電磁相互作用

在物質內部,分子與分子之間彼此相互作用的分子間作用力,就是電磁力的一種形式。分子間作用力促使一般物質呈現出各種各樣的物理與化學性質。由於電子與原子核分別帶有的負電荷與正電荷,它們彼此之間會以電磁力相互吸引,使得電子移動於環繞著原子核的原子軌道,與原子核共同組成原子。分子的建構組元是原子。幾個鄰近原子的電子與電子、電子與原子核、原子核與原子核,以電磁力彼此之間相互作用,主導與驅動各種化學反應,因此促成了所有生物程序。

三、惡魔或者天使--強相互作用

眾所周知,中子是不帶電的,基本上不與原子核、電子發生電磁相互作用,但它參與強相互作用。在微觀世界,核子間的核力就是強相互作用。它抵抗了質子之間的強大的電磁力,維持了原子核的穩定。強相互作用也將夸克基本粒子結合成為質子及中子等強子,這也是組成大部分物質的粒子。而且一般質子或中子裡,大部分的質能是以強相互作用場能量的形式存在,夸克只提供了1%的質能。

強相互作用的作用力非常強,大到束縛一個夸克的能量可以轉換為新的夸克對的質量,強相互作用的這個性質稱為夸克禁閉。強相互作用是唯一強度不會隨距離減小的作用力,但因為夸克禁閉,夸克會限制和其他夸克在一起,形成的強子之間會有殘留的強相互作用,也稱為核力,核力會隨距離而迅速減少。撞擊原子核釋放的部分束縛能和產生的核力有關,而核力也用在核能及核聚變式的核武器中。利用這個作用造成原子彈、氫彈的爆炸。甚至製造中子彈,中子彈爆炸產生的中子射線具有極強的穿透力,可以穿透坦克殺死裡面的士兵。在宇宙中,強相互作用主宰太陽和所有恆星的燃燒。沒有它就沒有璀璨的星空,沒有地球如此絢爛多彩的世界。

四、難以捕捉的幽靈--弱相互作用

與強相互作用一樣,弱相互作用也參與太陽等恆星內部的氫聚變反應,以及地球上的放射性衰變。把β射線從原子核激發出來的,就是弱相互作用。弱相互作用不但比強相互作用弱得多,而且作用距離也強相互作用更短,不到強相互作用距離的1/100。中微子不帶電,只參與弱相互作用。因為與其他物質相互作用極其微弱,因此它能夠輕易穿透大部分物質,包括地球。萬物內部是空曠的,它是第一體驗者。

弱相互作用在測定古生物的年齡中發揮著很重要的作用。1960年獲得諾貝爾化學獎的威拉得·利比發,發明了放射性碳定年法,也叫碳測年、碳十四定年法或碳十四年代測定法。它一種是利用自然存在的碳-14同位素的放射性定年法,用以確定原先存活的動物和植物的年齡的方法。弱相互作用在粒子的β衰變中最為明顯,在由氫生產重氫和氦的過程中(恆星熱核反應的能量來源)也很明顯。放射性碳定年法用的就是這樣的衰變,此時碳-14通過弱相互作用衰變成氮-14。

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