誰統一了兩種基本力？

2020-09-14 原理



在自然界中，已知的四種基本力分別是：電磁力、弱力、強力和引力。


在生活中，引力和電磁力的作用隨處可見。無論是蘋果落地，還是吸附在冰箱上的磁鐵，都是它們在發揮著作用。相比而言，弱力和強力也許沒有那麼為人熟知，這兩種力都是短程力，不像電磁力和引力有無限大的作用範圍。弱力支配了粒子的衰變，在太陽的核聚變反應中扮演著重要的角色；強力則將構成質子的夸克緊緊地束縛在一起。


在量子理論的語言中，電磁力和弱力，以及強力，都是由一種被稱為規範玻色子的粒子所傳遞的。無質量的光子負責傳遞電磁力，大質量的W和Z玻色子則負責傳遞弱力，強力則是由膠子傳遞。引力則完全不同，它是由愛因斯坦的廣義相對論所描述。幾十年來，一些理論家一直致力於尋找引力的量子描述，並提出了傳遞引力的假想粒子——引力子。



物理學家追求的是統一：將過去認為完全不同的現象統一在一起。


19世紀60年代，物理學家麥克斯韋實現了一次卓越的統一。在他的書寫方程組中，為我們展示了看似不同的電力和磁力，實際上是同一種力，即電磁力的兩面。


100多年後的1967年，溫伯格（Steven Weinberg）在物理評論快報上發表了一篇革命性的論文：《輕子模型》。在這篇僅有兩頁半的論文中（包括致謝和參考文獻），溫伯格優雅而簡潔地書寫了宇宙中最深層次的奧秘。


溫伯格首次證明了自發規範對稱性破缺的概念可被應用於弱力。對稱性破缺是指那些看似毫無關係的現象實際上是一種潛在統一的表現，當超過一個臨界點時，就會「破缺」成為一種非對稱狀態。溫伯格的理論統一了弱力和電磁力，這兩種基本力實際上是電弱力的不同表現。


目前的一種被普遍接受的說法是：在宇宙大爆炸後的一秒之內，「電弱」對稱性就被打破，在那之後，電弱力才分裂成了電磁力和弱力。


1967年11月20日，溫伯格在物理評論快報上發表了《輕子模型》，是粒子物理學領域被引用最多的論文之一。



在溫伯格的論文發表之前，他曾在布魯塞爾的索爾維會議上提及這個理論。但是與會者只有少數人產生了興趣。甚至連溫伯格本人都認為這個理論是不完備的。其中一個缺失的元素是要證明這個理論是可重整化的，換句話說，計算中出現的無窮大時可以被消除的（1971年，傑拉德·特·霍夫特等人提供了證明）。


溫伯格不僅預測了傳遞弱力的W和Z玻色子的質量，還預測了與賦予基本粒子質量的希格斯場有關的希格斯玻色子的性質，同時他也預測了弱相互作用的中性流的存在。


1973年，實驗中發現了第一個中性流相互作用的證據。到了1976年，《輕子模型》就已經成為世界上被引用次數最多的高能物理論文。1979年，溫伯格與獨立提出相似想法的阿卜杜勒·薩拉姆（Abdus Salam）和謝爾登‧格拉肖（Sheldon Glashow）共享了諾貝爾物理學獎。


但故事並沒有結束。1983年，歐洲核子研究中心（CERN）成功探測到了W和Z玻色子的存在。2012年，CERN的大型強子對撞機發現了希格斯玻色子。溫伯格的預測全部得到了證實。


溫伯格的電弱統一理論成為了粒子物理學標準模型的第一個支柱。此外，在中性流被發現的那一年，出現了一種解釋強力的理論，叫做量子色動力學。這兩個理論構建了標準模型。


標準模型描述基本粒子和它們之間的相互作用。


標準模型是一個描述了構成宇宙的所有已知基本粒子和基本力（除引力之外）的框架。在物理學家眼中，標準模型有著極為崇高的地位，因為它為複雜的世界提供了簡潔的秩序，是物理學家目前對宇宙提煉出的精髓，也是探索和發現的工具。無疑，標準模型是迄今為止最成功的理論之一。



在此後漫長的幾十年科研生涯中，溫伯格繼續在量子場論、基本粒子物理學和宇宙學方面做出研究，並提出了許多最深刻的見解。近年來，溫伯格也在重新思考量子力學一些最基本的問題。


一直以來，溫伯格都在試圖尋找一個「終極理論」，他希望找到一個能夠解釋所有力（包括引力）和粒子的終極理論。溫伯格在2018年的一次採訪中曾表示：「這樣一個基本理論似乎比以往任何時候都要遙遠，因為有跡象表明，要看到它所需要的能量超過了我們力所能及的範圍。可惜的是，加速器實驗還沒有揭示出任何超越標準模型的東西，除了中微子的質量。」


目前試圖統一基本相互作用的理論。


9月10日，科學突破獎宣布將2021年度的基礎物理學特別突破獎授予了溫伯格，以表彰他在基礎物理學領域持續發揮著領導作用，在粒子物理學、引力和宇宙學領域所產生的深遠影響，以及他在科學普及上所作出的傑出貢獻。霍金和脈衝星發現者伯奈爾都曾榮獲該獎。


溫伯格撰寫了許多著作，包括《量子場論》、《宇宙學》、《最初三分鐘》、《終極理論之夢》等。


參考來源：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.19.1264?utm_source=article-collection&utm_medium=web&utm_campaign=1967

https://breakthroughprize.org/News/61

https://cns.utexas.edu/news/steven-weinberg

https://physics.aps.org/articles/v11/134

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  • 物理學的統一：力的本質是什麼？
    物理學是研究自然界存在的力學現象及運動規律的學科，近代物理學已發現宇宙中的四種基本作用力：強力、弱力、電磁力和引力。上世紀，物理學家實現了前三種力的統一。如何將引力統一是新世紀的物理學難題。最初，「能量勢」分化成正負電荷力（正態能量和負態能量兩種屬性，如膨脹能和收縮能）。伴隨能量漲落和空間的形成，正負電荷力衍生出電磁力（物質力，創造「點電荷」物質粒子，然後形成正負電子，電子運動產生磁場和磁力。）
  • 統一四大基本力將會在物理學史上擁有怎樣的地位?
    弱力是造成β衰變一類的衰變的力，由希格斯粒子(W+、W-、Z0)傳遞，比較較弱，短程力，作用在夸克級的粒子，在四種力中為第三強。強力是夸克之間的吸引力，由膠子傳遞，其中束縛質子和中子於原子核中的是其附加效果由π介子傳遞，在有效距離內，距離越大，力越大，短程力，是四種基本力最強的。對於物理學家，尤其是理論物理學家來講，他們最大的夢想就是提出一個大一統理論。
  • 宇宙四大基本力是什麼,連愛因斯坦都沒能統一它們
    推力，壓力，阻力，摩擦力，重力，洛倫磁力，隨便一說都有很多種不同名詞的力，這麼多形形色色的力為什麼說我們的宇宙目前發現的力只有4種基本力呢？那這4大基本力分別是什麼？它們分別又是怎麼定義的呢？我們這個宇宙中只存在四種最基本的力，分別是強力，弱力，電磁力和引力，接下來給大家分別解釋。電磁力電磁力好理解，你拿一把梳子梳一下頭髮，梳子就能吸起小紙屑，這就是電磁力。
  • 三大基本力都被統一,只剩下引力沒有,它的本質是什麼?
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    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。
  • 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
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    早在20世紀20年代，愛因斯坦已經致力於尋找一種統一理論來解釋所有相互作用，也可以說是解釋一切物理現象。他認為自然科學中統一的概念或許是一個基本法則。在20世紀30年代提出相對論後不久，愛因斯坦就著手研究大統一理論。然而直到1955年他耗盡幾十年精力都沒有找到最終答案。
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  • 物理學的統一
    科學家利用「還原法」探索到宇宙微觀領域並發現了構成物質的基本粒子。通過基本粒子的屬性我們可以推測出力的統一形式。基本粒子是人們認知的構成物質的最小最基本的單位，在不改變物質屬性的前提下的最小體積物質。電荷是實驗下可被檢測到唯一攜帶力的物質單元（強力、弱力、引力都沒有單一對應的物質單元），電力是產生其它所有力的根源。首先，磁力是電荷運動產生的。電力和磁力統一為電磁力，磁力的物質本源是電荷。其次，衰變是弱力的基本行為，衰變是重核物質裂變伴隨放射性元素產生的過程。
  • 超弦理論說明宇宙的最基本構成是陰陽兩種特性的基本元素
    弦論的一個基本觀點是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子，而是很小很小的線狀的「弦」（包括有端點的「開弦」和圈狀的「閉弦」或閉合弦）。弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子。弦論中的弦尺度非常小，但操控它們性質的基本原理預言，存在著幾種尺度較大的薄膜狀物體，後者被簡稱為「膜」。直觀的說，我們所處的宇宙空間可能是9+1維時空中的D3膜。
  • 宇宙存在的規則——萬有引力、電磁力、弱力和強力四種基本力
    目前研究結論認為：宇宙中只有四種基本力，分別是萬有引力、電磁力、弱力和強力，這四種力構成了宇宙的基本形態和發展，宇宙的千變萬化是由這四種力操縱的。需要注意的是，萬有引力是引力，不是斥力，而且該力與物體速度大小沒有關係。其他力則可能與物體速度存在一定關係。萬有引力的來源是什麼呢？是兩個物體的質量產生的。牛頓第一次實現了天上的力與地球上的統一，首次實現了力的大統一，奠定了其在科學歷史上無與倫比的崇高地位。
  • 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。那麼是什麼力讓它們束縛在一起呢？科學研究發現這種力就是強力，強力是通過一種被稱為膠子的規範粒子場起到傳遞作用，是強子結合的基本力，現在發現依靠這種力聚合在一起的有幾百種基本粒子，人們把這些粒子稱為強子。四種力能統一嗎？從上述四種力的介紹，我們可以看出它們之間有著不同作用和範圍，力度大小也不一樣。
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    【】物理學上四大基本力指強核力、弱核力、電磁力、引力。四大基本力是宇宙能量的一部分，宇宙中的所有能量統一於能量場；物質能量的統一關係是物質能量集群，並通過孵化形成新的物質能量，四大基本力或四大基本物質能量屬於科學範疇。科學家善於從微觀上（分子、原子、質子……）把握世界。【】世界二分法_物質世界、精神世界。
  • 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