普林斯頓大學物理系學霸對四種基本力的介紹

2020-12-05 萬象經驗
四個基本力是宇宙中每個相互作用的基礎

我們每天經歷的所有力都可以歸結為四個基本的力:引力、弱核力、強核力和電磁力,它們支配著宇宙中發生的一切。

引力

引力是兩個具有質量的物體之間的相互吸引,無論是從橋上扔下一塊石頭,還是繞著一顆恆星運行的行星或引起海洋潮汐的月球,都是引力的結果。引力可能是我們最直觀、最熟悉的基本力,但它也是最難解釋的力之一。

艾薩克·牛頓是第一個提出萬有引力的人,據說他的靈感來自於一個從樹上掉下來的蘋果。他把引力描述為兩個物體之間的吸引力。幾個世紀後,阿爾伯特·愛因斯坦通過他的廣義相對論提出,引力不是一種力。相反,它是物體彎曲時空的結果。一個大物體在時空中的作用有點像一個放在紙中間的大球,它會讓紙變形,並導致紙上其他更小的物體向中間下落。

雖然萬有引力將行星、恆星、太陽系甚至星系聚集在一起,但它卻是最弱的基本力,尤其是在分子和原子尺度上。把一個物體從地上提起來或者往上跳等動作都在抵消整個地球的引力。在分子和原子水平上,引力相對其他基本力來說幾乎沒有影響。

弱核力

生命形式

弱核力也稱為弱相互作用,是粒子衰變的原因。物理學家通過交換稱為玻色子的帶力粒子來描述這種相互作用。特定種類的玻色子負責弱力、電磁力和強力。在弱力中,帶電的玻色子有W和Z玻色子。當質子、中子和電子等亞原子粒子相互靠近10^-18米,即質子直徑的0.1%時,它們可以交換這些玻色子,結果是亞原子粒子衰變為新的粒子。

弱力對於核聚變反應至關重要,核聚變反應為太陽提供能量,並產生地球上大多數生命形式所需的能量。考古學家可以使用碳14測定古代骨頭、木頭和其他現存的人工製品的年代。碳14有6個質子和8個中子,其中一個中子衰變為一個質子,生成氮14,氮14有7個質子和7個中子。這種衰變以可預測的速度發生,使科學家能夠確定這些人工製品的年齡。

電磁力

支持力是電磁力

電磁力在帶電粒子之間起作用。相反的電荷相互吸引,而同種電荷相斥。電荷越大,力越大。就像萬有引力一樣,這個力在無限遠處也能感覺到(儘管在這個距離上這個力會非常非常小)。

電磁力顧名思義由電力和磁力兩部分組成。起初,物理學家把這些力描述為相互獨立的,但研究人員後來意識到,這兩個力是同一力的組成部分。

無論帶電粒子是運動還是靜止,帶電粒子之間的電分量都會相互作用,從而形成一個電荷可以相互影響的場。但是一旦開始運動,這些帶電粒子就開始顯示第二種成分,磁力。當粒子移動時,它們會在周圍產生磁場。例如,當電子通過導線為電腦、手機充電時,導線就會產生磁性。

電磁力是通過一種叫做光子的無質量、有載力的玻色子的交換產生的,光子也是光的粒子的組成成分。然而,在帶電粒子間交換的帶力光子是光子的不同表現形式。它們是虛擬的,無法探測的,儘管它們在技術上與真實的和可探測的粒子是一樣的。

強核力

強核力又稱強相互作用,是自然界四種基本力中最強的一種,它是萬有引力的6萬億倍。它把構成質子和中子的夸克結合在一起,這種強大的力量也把原子核中的質子和中子結合在一起。

就像弱力一樣,強力只有在亞原子粒子彼此非常接近時才會起作用。根據資料顯示,它們之間的距離必須在10^-15米以內,或者大約在質子直徑的範圍內。

然而,這種強大的力是奇怪的,因為與其他任何基本力不同。亞原子粒子越靠近,它就越弱。當粒子彼此距離最遠時,它實際上達到了最大強度。一旦距離合適,被稱為膠子的無質量帶電玻色子就會在夸克之間傳遞強大的力,使夸克「粘」在一起。在質子和中子之間有一小部分被稱為殘餘強力的強力作用。原子核內的質子因電荷相似而相互排斥,但剩餘的強力可以克服這種排斥,所以粒子仍被束縛在原子核內。

大統一

四種基本力的突出問題是,它們是否僅僅是宇宙中一種巨大力的表現。如果是這樣,它們中的每一個都應該能夠與其他力合併,而且已經有證據表明它們能夠合併。

哈佛大學的物理學家Sheldon Glashow和Steven Weinberg以及倫敦帝國理工學院的Abdus Salam在1979年獲得了諾貝爾物理學獎,因為他們將電磁力和弱力結合起來形成了電弱力的概念。物理學家們正在努力尋找一種所謂的「大統一理論」,其目的是將電弱力與強力結合起來,以定義一種電核力。最後一塊拼圖需要把引力和電核力統一起來,從而發展出所謂的萬物理論,這是一個可以解釋整個宇宙的理論框架。

然而,物理學家發現很難把微觀世界和宏觀世界合併起來。在很大的範圍內,特別是在天文尺度上,引力佔主導地位,並且愛因斯坦的廣義相對論對引力有最好的描述。

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  • 啥叫四種基本力,質子帶正電本來相斥,為啥卻粘在一起?
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