宇宙為什麼有四種基本力?破解玄機,統一四種基本力前路漫漫

2020-12-05 天文同好樂園

說到「力」,給我們的感覺是十分平淡無奇的。在初中物理課堂上就學過基本的力學知識:我們可以用力推、拉使物體移位;可以拉伸、扭轉或者粉碎一個物體;揮動手臂用球拍將球打出去,人走路或汽車行駛會遭遇空氣阻力和路面的摩擦力,等等。在日常生活中,我們對這些「力」並不會太過介意。但這就是自然界「力」的全部嗎?遠遠不是!當我們考慮自然界的「自然力」的時候,問題就會變得複雜得多了。

想一想:蹦極愛好者從高高的平臺一躍而下向地表墜落,為什麼?磁懸浮列車漂浮在軌道上運行,為什麼?蓋革計數器接收到X射線會發出「滴答」警報,為什麼?物體可以被冷卻、加熱和燃燒,為什麼?當然,還有原子彈,一顆核炸彈可以毀滅一座城市,爆炸威力如此大,為什麼?在過去的幾百年裡,物理學家們積累了大量證據,說明了所有我們身邊尋常遇到的事物間的相互作用、以及隱秘的不同事物之間的相互作用,都可以歸結為自然界四種基本力的組合——引力、電磁力、強核力和弱核力。

引力是大家最熟悉不過的,它不但讓我們能牢固地腳踏大地,而且還維持著我們的地球不停地繞著太陽轉。兩個物體質量有多大,決定著能產生多強的引力。電磁力是除引力以外我們最熟悉的一種基本力,它是我們現代生活中一切便利的源頭,例如電、光、計算機、電視、電話等等。當然,它也常常在自然界中露出它的猙獰——雷暴天氣的電閃雷鳴。從微觀角度來說,粒子的電荷決定了電磁力的強度,就如同物體的質量決定了引力的強度類似。

強核力與弱核力大家就比較陌生了,它們是作用在原子核中的力,一旦超過亞原子尺度以外,這兩種力就會完全失去作用,這也正是這兩種力相較於引力和電磁力被發現得晚得多的根本原因。強核力通過膠子將夸克束縛在質子和中子內部,又將質子和中子緊緊「捆」在一起填充進原子核。弱核力貌似要簡單一些,目前科學家發現它僅是支配著某些形式的放射性衰變。當然,放射性衰變對我們來說也很重要,工業上用來探傷,醫學上用來醫治某些癌症。從宏觀上來說,弱核力也是地球內部深層熱量的主要來源。

在過去的一個世紀裡,物理學家們發現所有四種力的區別極大,在相同的實驗條件之下,強核力比弱核力強10萬倍、強核力比電磁力強100倍、電磁力比引力強100億億億億億倍(10^42倍)!為什麼是這四種大小強度不一的力主宰者我們的宇宙?物理學家們對此感覺到很是茫然。在微觀層次上,理論上來說每種力都應關聯著一種粒子,如膠子是強核力的載力子、光子是電磁力的載力子、弱規範玻色子是弱核力的載力子、引力子是引力的載力子。但是,前面三種載力子都已發現,偏偏就是找不到引力子!

一件事情為什麼恰好是這樣而不是那樣,看上去是一個鑽牛角尖的問題。為什麼會有四種基本力而不是五種、三種或者一種?為什麼這些力會有那麼多不同的性質?為什麼強核力和弱核力只能在微觀尺度上發生作用,但是引力和電磁力的作用範圍卻可以達到無限?為什麼這些力的強度會懸殊那麼大?還有,物理學家們已窮盡了手段,為什麼還是找不到引力子?太多問題得不到答案,現在的物理學家們只能告訴我們:只要任何一種力的強度稍微改變,我們的宇宙就不會是現在這個樣子——沒有星系、沒有恆星、沒有行星,當然也更不會有我們!

當前,物理學家們在懷疑,也許宇宙原本沒有這四種力,也許這四種力可以統一為一種單一的力,只是目前我們還沒有發現其中存在的玄機,還沒有找到破解玄機的密碼。20世紀的科學巨匠愛因斯坦在生命的最後30年一直在試圖找到這種統一的、單一的力,但臨終含恨未能成功。接下來,這也成為21世紀的理論物理學家和實驗物理學家們面臨的最重要的挑戰,他們會成功嗎?

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  • 為什麼物理學追求四種基本力的統一?
    自從科學誕生之日起,科學家就一直走在統一的道路上,牛頓統一了天上地下的物體運動規律,麥克斯韋統一了電和磁,愛因斯坦統一了時間和空間,質量和能量,楊振寧統一了電磁力與弱核力;統一場論是物理學的終極夢想,如果誰真的能統一四種基本力,那麼他的功績是絕對是前所未有的。
  • 為什麼宇宙會有四種基本力?它們能夠統一嗎?未來之路很艱辛
    而科學的核心也是各種法則,也就是我們通常所說的四種基本力。它們分別是引力、電磁力、強核力和弱核力。大自然的一切現象和規則都是由這四種基本力來主導進行的,而宇宙中的一切演化其實也是由這四種基本力來進行。可以說我們研究探索科學,其實就是在研究這四種力,曾經有科學家稱科學的終點是神學,其實這種說法某種程度上也是正確的。
  • 宇宙存在的規則——萬有引力、電磁力、弱力和強力四種基本力
    宇宙創生了,為什麼是現在這個樣子而不是其他模樣?這個問題目前世界上還沒有人能夠回答。我們只能說,宇宙創生了,規則就創生了,我們無法回答規則從哪裡來的,為什麼是這樣的規則。目前研究結論認為:宇宙中只有四種基本力,分別是
  • 大家一起來聊聊四種基本力的統一問題
    我先說說四種基本力的基本特徵自然界中存在著四種最基本的力,分別是引力、弱核力、電磁力和強核力。這四種力囊括了自然界中幾乎所有的力學現象。但是在目前,至少有兩種力學現象是無法用四種基本力來解釋的:即電子族粒子和中微子的內部結構。不明白?
  • 什麼是四種基本力,在宇宙中起到了什麼作用?
    迄今為止物理學家們已經發現了宇宙可見物質中全部的四大基本力,所有觀察到的物理現象本質上都能用四種基本相互作用力得到描述和解釋。也正因為如此,無數物理學家們渴望把四種基本力綜合到一起,成為一個完善的物理學終極理論,也就是愛因斯坦晚年致力於的「大統一理論」由於我們的宇宙是由微觀粒子構成的,因此粒子之間的萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力決定了宇宙中的一切,相比其他三個基本力,引力是我們最為熟悉的,但它卻是最弱的力,日常生活中的小質量物體之間的引力作用基本忽略不計也感覺不到,但在天體運行中可以清楚的感覺到引力的存在以及帶來的影響
  • 物理學界為何要統一四種基本力?否則人類文明將遭遇滅頂之災!
    愛因斯坦晚年一直在追尋這樣一個理論,那就是所謂的大統一理論或著說統一場論,他希望這個理論能使自然界中的四種基本力(即:引力、強核力、弱核力, 和電磁力)成為一體。然而,他苦心研究近30年,最終卻無功而返,一直到他1955年去世,它依然沒有研究出統一場論。
  • 【物理原理】力——自然界的四種基本相互作用
    原標題:【物理原理】力——自然界的四種基本相互作用 >來自大名鼎鼎的村山齊的《自然界的四種基本相互作用力》 卷首語:力——自然界的四種基本相互作用 為什麼月亮得以圍繞地球作周期性的運動?
  • 自然界中四種基本力
    大自然中有四種不同的「力」,除了最廣為人知的引力和電磁力之外,還有兩種是「強力」和「弱力」,這四種目前發現的基本作用力,宇宙中已知的一切,都由它們主宰。引力相互作用作用,在宇宙的大尺度上無處不在,它是刻畫星體運動的基本規律,比如大家熟知的太陽、地球和月亮之間的關係;當然,從大的行星運行到微小的蘋果墜落,引力之存在,與生活息息相關。
  • 宇宙中的四種基本力,在自然界中到底起什麼作用?
    在過去的兩千年以來,科學家們逐步發現宇宙中的所有現象都可以劃歸為四種基本力。這四種基本力量從一開始就不同,但本質上是不可缺少的,它們是電磁力、強核力、弱核力和重力。下面簡要介紹這四種基本力量在自然界中的作用。
  • 普林斯頓大學物理系學霸對四種基本力的介紹
    >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。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。
  • 你了解自然界的四種基本力嗎?主宰宇宙中發生的一切
    儘管看上去花樣繁多,但我們日常經歷的所有力都可以歸結成四種基本力:引力、弱力、電磁力、以及強核力。這些便是自然界的四種基本作用力,宇宙中發生的一切都由它們主宰。雖然引力能夠將行星、恆星、太陽系、甚至星系維繫在一起,但它實際上是最弱的一種基本力,在分子和原子尺度上尤其微弱。你可以這樣理解:從地上拿起一個球、或者抬起一隻腳、或者跳幾下到底有多難?這些動作都是在與整個地球的引力相對抗。在分子和原子尺度上,相比其它幾種基本力,引力的影響可以說微乎其微。
  • 四種作用力能夠統一嗎?怎樣統一?
    四種作用力能夠統一嗎?怎樣統一?文/袁玉剛 圖/來自網際網路截至目前,科學家們總共在宇宙中發現了4種基本作用力。科學家們一直致力於用數學方法統一四種作用力,先把弱核力與電磁力統一起來,又把強核力與電磁力統一在一起。但引力依然無法入群,孤獨地徘徊在大統一理論之外。
  • 啥叫四種基本力,質子帶正電本來相斥,為啥卻粘在一起?
    先簡單說說四種基本力。自從牛頓發現了萬有引力定律,隨著科學研究的深入,發現這個世界的一切不外乎受四種力的約束,即萬有引力、電磁作用力、強力、弱力。如天體運動和演化、航天發射都是遵循萬有引力規律,根據這個規律,才能夠了解宇宙天體運動和讓太空飛行器脫離地球引力;而電磁作用力表現在我們日常生活的一切方面,光和電、彈力、機械力、摩擦力、磁力、阻力、壓力、拉力、斥力等等都屬於電磁作用力的範疇。強力和弱力更多地表現在微觀世界,而且主要在亞原子層面。何謂亞原子?
  • 引力是無處不在天生的四種基本力之一
    一直有人對引力的本質有懷疑,弄不清引力場是怎麼回事,是物體本身存在的還是空間存在的;還有人認為既然這個世界不存在永動機,為什麼會產生引力呢?其實引力不是「產生」的,而是這個世界本身就存在的,是四種基本作用力之一。引力是質量引起,是物質的本質屬性。引力大小與相互作用物體質量乘積成正比,與它們的距離平方成反比。
  • 四種自然基本力能實現統一,合併成一種可以解釋整個宇宙力嗎
    自然界中力形式千千萬萬種,但我們可以把這些力歸類為以下四種基本自然力:引力弱核力電磁力強核力它們被稱為自然四種基本力,支配著宇宙中發生的一切引力引力是兩個有質量或能量的物體之間的吸引力,無論是從橋上掉落巖石、環繞恆星的行星還是引起海洋潮汐的月球,都是因為存在引力所致。引力可能是最直觀和熟悉的基本力量,但它也是最不易解釋基本力之一。艾薩克·牛頓是第一個提出萬有引力概念的人,據說是受到了從樹上掉下來的蘋果的啟發。
  • 引力不是四種基本力中最弱的嗎,為什麼感覺是最重要的呢?
    四種基本力的由來牛頓之前,可沒有四種基本力這種說法,這還得回顧一下物理學小小的發展歷史。物理學從伽利略牛頓開始,最後由麥克斯韋把電學和磁學合二為一,把當時所有理論歸於一統。這就是「經典物理學」,也是物理學的黃金時代。
  • 萬有引力如果不是一種力,為什麼會被稱為四種基本力之一?
    萬有引力定律是物理學的基本原理,它在17世紀首先由艾薩克·牛頓提出,它指出所有物體都受到引力的吸引。牛頓的發現被愛因斯坦的廣義相對論所取代。然而,對於大多數實際應用來說,牛頓的萬有引力通常情況下仍然是可以準確描述的。
  • 宇宙中的四種基本力是如此精巧,它會是造物主設計的嗎?
    我們知道,宇宙在四種基本力量間達成了精確的平衡,四種我們熟知並熱愛的力量,就在你我身邊,它們是:重力,電磁力,弱相互作用和強相互作用。這些都是保證我們世界正常運轉的,不可缺少的力量。重力,一般來說,是我們最早有所體會的。我們蹣跚學步,然後摔跤,正是重力在玩兒我們。如果你搬了什麼重東西,摔了,這又是重力在搞鬼。電磁理論使我們了解,物質的化學性質。
  • 為了統一四大基本力,科學家耗費了多少心血,未來有可能統一嗎?
    科學家們經過數百年來的研究發現,宇宙中所有現象都可以歸結為四種基本力的作用,即強力、弱力、電磁力和引力。眾所周知,牛頓是經典力學的奠基者,後世的科學家在經典力學的基礎上有所創新甚至是超越。起初人類只發現了電磁力和引力,科學家們想方設法想要將這兩種力統一起來,這一工作直到愛因斯坦提出廣義相對論之後才算完成。到現在為止,仍然沒有哪位科學家能夠將四大基本力統一起來,這是為什麼呢?首先我們需要了解一下統一的概念,這個概念最早由愛因斯坦提出,指的是發現不同種類力之間的聯繫。
  • 解讀大自然四種基本作用力:引力,電磁力,強力和弱力!
    萬有引力的計算公式萬有引力在宇宙的形成和天體的系統中起著決定性的作用,如太陽系、銀河系的形成靠的就是萬有引力。電磁力3、強力一般指強相互作用力,強力,又稱為強核力,所有存在宇宙中的物體都是由原子構成,而原子核是由中子和質子組成。