大家一起來聊聊四種基本力的統一問題

2020-12-07 東sir探世界

小編比較關注頭條上有關物理、天文知識，但發現無論是問題還是答案，都是照本宣科的課本知識範圍以內的東西，不新穎、沒深度、更沒啥探究上的吸引力，於是小編日夜苦思冥想，希望超越李永樂老師、媽咪叔的知識範疇，終於，腦中靈光乍現，一篇關於引、弱、電、強四力統一地文章噴薄而出！

下面小編帶大家看一看我的腦洞大開！

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。

引力作用於物質的質量屬性之上，主要表現在天體的演化、結構的維持、天體之間的吸引，和宇宙結構的維持，但在微觀世界，它表現並不突出；

弱核力與中微子或磁距有關，參合在粒子的衰變當中；

電磁力作用於電荷之間，是形成普通物質結構的基礎，光子是電磁力的傳播粒子；

強核力的典型特徵是有強子的參與，主要表現在有介子或重子參與的結構、碰撞、衰變、和輻射。

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？

我們都知道無論是萬有引力定律還是庫倫定律，與力有關的兩個自變量分別是距離和荷，但小編有個問題想不通透：距離本非質點的固有屬性，無需考慮；荷屬於質點自有屬性，為啥在考慮弱、強核力形式時不從其身入手？為啥考慮四力統一問題時，科學家們僅考慮精細結構常數的耦合，而不從荷入手?

萬有引力定律
庫倫定律

小編覺得能夠想像出物理學家們想不到的問題，並探索出新穎的自然奧秘的過程是快樂的，所以想跟大家分享一下首次發掘自然規律的趣味！讓我們一起嘗試從荷入手，來研究一下四種力的統一問題！

荷是啥？

質量是引力的荷；電荷是庫侖力的荷，那麼強弱核力的荷又是誰呢？物理學家們不知道，因為他們也沒有強弱核力的公式，小編就更不知道了，但小編可以馬上帶著大家一起去探索這個問題，也許會有不一樣的收穫哦！

問題來啦！

小編考驗大家一個問題，這個問題的難度相當於初中時代做的發現數字規律的題目。

已知：1.任何物質同時具有質量與引力勢能屬性；2.電磁場荷類型分為+、-兩種；3.中子、質子的夸克數為3，帶電π介子夸克數為2；4.純弱衰變反應產物只有電子、中微子；根據以上信息定量計算四種力荷類型。

解析：以上4個已知條件其實是將四種基本力的荷羅列到了一起，即便強弱核力公式並不清楚，我們也能很清晰地看出四力之間可能存在的聯繫，大家有沒有看出這四個已知條件之間是啥關係呢？

答案是~~?

首先我們看已知2，因為它是最明確的，很簡單看出電磁場的荷類型為2種；

已知1稍微動點腦筋也能獲得答案，質量為正，那麼勢能為負，一個質點同時具備正、負兩種荷類型，那麼總的荷類型為（+）+（-）=0，所以引力的荷類型為0種；

已知3中中子、質子的夸克數為3、帶電π介子夸克數為2，說明強核力的荷類型可以為3種或者2種，但3種是常態！

已知4的難度比較大，但前文已經提過，弱核力與磁距有關，磁距相互作用本身也是屬於弱相互作用範疇，所以我們只要將純弱相互作用與磁距相互作用做做對比，答案不就有了嗎？

磁距相互作用發生在兩個磁距之間，電子具有磁距，而中微子的磁距為0，那麼它們之間即怎麼發生相互作用呢？但本文並不是來解惑弱核力的作用方式的，所以有興趣的朋友看完後，可以自行研究一下，小編有時間也會公布自己的答案。由於只有電子有磁距，也就是說兩個粒子只有電子參與了弱衰變反應，因此純弱核力的荷類型為1種！

現在大家搞明白了荷類型規律了吧！引、弱、電、強的荷類型種類分別是0、1、2、3!

世界真奇妙！四種基本力的荷類型種類居然呈自然數遞增！那麼荷類型種類是否與空間維數有關？是否存在著荷類型種類更多的基本力呢？大家可以放飛自我！自由想像！

到了這裡，大家可能還是覺得小編的這篇文章只是小菜一碟！新穎度不高！小編只能嘔心瀝血帶著大家繼續研究荷的世界！

直接上~公式！

話不多說，直接上公式！

n是荷類型種類，e是荷類型

當n=0時，得到引力荷類型解：e0=0；

當n=1時，公式在複數範圍內無解，需要引入矩陣，結合磁距相互作用公式，我們可以直接解出弱力勢能公式：

弱核力公式

V（r）是弱力勢能公式，它對磁距及純弱相互作用通用；e是荷類型；φ（r）是衰變前粒子的內部狀態。

當n=2時，得到電荷類型解：e2=±1；

當n=3時，公式在實數範圍內無解，需要引入複數，得到強力荷類型解：

強力荷類型公式

事實上，由強力荷類型公式直接可以看出中子、質子內部,夸克之間夾角均為2π/3；

如果我們考慮帶電π介子內部夸克數有兩個，即與電磁力荷類型種類一致，這個時候必然有一組解為±1，帶入強力荷類型公式中，可以得到一組特殊解：

氘核結構圖

這正是小編頭像的由來哦！

小編說

小編寫原創科普文真得是很累！既要考慮與現有的實驗數據吻合，又要保證與所有的物理理論不重複，還要保證在邏輯自洽的基礎上創新，真得是很難！請大家幫忙多關注！多轉發！小編在此謝謝大家了！

大家的關注是小編繼續原創的動力，如果一天的閱讀量連一萬都沒有，小編會覺得自己的努力不值一塊錢，請大家多多支持！如有問題，請直接評論，小編會及時回復！

相關焦點

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  • 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
    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。
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  • 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。
  • 誰統一了兩種基本力？
    在自然界中，已知的四種基本力分別是：將過去認為完全不同的現象統一在一起。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。
  • 統一四種力很簡單,是科學家搞複雜了,思路錯了,實則,已經統一
    那麼，統一場理論號稱要統一的四種力，究竟是什麼呢？其實，就是一種力，只不過，在不同的世界裡有不同的區分，不同的物質基礎，似乎性質不同，其實，是相同的。強相互作用力、弱相互作用力、電磁力、萬有引力。其實本質是一樣的。
  • 誰統一了兩種基本力?
    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 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。
  • 宇宙存在的規則——萬有引力、電磁力、弱力和強力四種基本力
    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。
  • 統一四大基本力將會在物理學史上擁有怎樣的地位?
    電磁力，分為正負極，電荷也就是磁極正負相同的為排斥力，相反為吸引力，由光子傳遞，與電量成正比，距離成反比，長程力，在四種力中為第二強。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。
  • 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
  • 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。
  • 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雖然引力將行星、恆星、太陽系甚至星系聚集在一起，但從分子和原子尺度上來說，事實證明它是最微弱的基本力量。在分子和原子尺度上，引力對其他基本力幾乎沒有影響。弱核力弱核力也稱弱核相互作用，是粒子衰變的主要原因。這是一種亞原子粒子向另一種原子的變化。
  • 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。
  • 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。在強力和弱力相繼被發現之後，科學家又試圖將它們與原有的引力和電磁力統一起來。雖然這項工作至今還沒有完成，但它一開始就有一個恢弘的名字，那就是「大統一理論」。直到上個世紀60年代，科學家溫伯格成為第一位將弱力和電磁力統一起來的人，建立了弱電統一理論。從那之後，四大基本力的統一工作似乎就沒有突破性的進展，但各國的科學家依然在不斷努力。
  • 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。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。
  • 【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？
  • 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。
  • 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？重力與壓力今天就給大家做個力的科普，說說宇宙中的四大基本力。
  • 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。在這四種力中，萬有引力和電磁力都是長程力，理論上可以傳播無限遠，傳播速度為光速；強力作用距離很短，約在10^-15m以內；弱力作用距離更短，在10^-17m以內，它們傳播速度小於光速。在這四種力中，引力最弱，弱力次弱，電磁力較強，強力最強。它們的強度表達為：強力10^4N，電磁力10^2N，弱力10^-2N，引力10^-34N。
  • 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。