弱力如何控制放射性衰變?為什麼我們通常不提這種力的作用方式?

2020-12-18 李論科學

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四大基本力即自然界的4種基本力，其中包括：強核力、弱核力、電磁力以及引力。

科學發展的終極目的就是希望能描繪一幅精確的宇宙圖景，這其中包括從最小的亞原子粒子到可測量的最大尺度。而宇宙中除了物質以外，更重要的是作用於這些物質上的四大基本力。我們經常會說強力、電磁力、引力的作用方式，它們有排斥和吸引，但說到弱力上，我相信你除了聽說它控制著原子核的衰變外，沒有聽說過它跟力有什麼關係？今天我們著重說下弱力！

我們對四種基本力的理解

通常我們對四種基本力的描述如下：

引力作用於任何具有質量、能量或動量的物體上。這是由於空間彎曲產生的一種力或者說是引力子在量子水平上的交換，引力只會表現出吸引力，它影響著宇宙中的一切。電磁力作用於任何帶電荷的粒子。同種電荷相互排斥，相反的電荷相互吸引，電磁力由光子來介導。可以發生在無限遠的地方，但中性物質對此力無感。強力作用於任何帶有色荷的粒子，帶色荷的粒子僅是夸克和膠子。強力將單個夸克以重子（如質子或中子）和介子的形式束縛在一起，並將原子核結合在一起。強力只能在很短的距離內發生作用，對於顏色中性的束縛態會迅速消失。而弱力制約著放射性衰變。由w和z玻色子介導，作用距離比強力還要短。在我們通常的描述中沒有對弱力相互作用的描述，它是吸引還是排斥？換句話說，當我們說到弱力時，它會不會不是一個真正的力？

現在我們在回想下...，弱力是一種力嗎？

對於我們可以測量的粒子，力的作用會導致粒子的動量隨時間發生改變，這就是我們日常經驗中的加速度。

對於前三種力，它們的作用方式很直觀，引力把所有東西往下拉，電磁力要麼排斥要麼吸引，強力把夸克和原子核束縛在一起。下面再詳細的討論下。

在經典（非量子）引力理論中，總能量（主要是質量，但也包括所有形式的能量）導致時空發生扭曲，而宇宙中的每一個粒子的運動也會因時空的彎曲而改變。

關於引力可能還有一個更基本的理論，也就是量子引力理論，在這個還未被證實的理論中，由於引力子可以在質量或者能量之間互相交換，使得宇宙中的每一個粒子都能感受到引力的存在。

再說其他力的時候，請記住以下三點：

每一種粒子都有一種特性，或者說是它們固有的某種性質，使它們能夠感覺到（或感覺不到）某種力。而那些介導（攜帶）力的粒子，與具有正確屬性的粒子相互作用來傳遞力或體驗力。作為相互作用的結果，粒子感受到力以後動量會發生改變，或者用通俗的說法就是加速。下面再看看其他的力。

在電磁力中，基本的屬性是電荷。與引力不同，電荷可以是正的，也可以是負的，光子可以在電荷之間傳遞作用力，使同類電荷相互排斥，使反向電荷相互吸引。

同樣值得一提的是，移動的電荷或電流，可以產生電磁力的另一種表現形式：磁力。這種現象也適用於引力，稱為引力磁學，也就是說質量或能量物體在引力場中運動時，會產生引力波或引力輻射。這一點沒有必要深入討論，但是我們應該記住，不僅有電荷和力的載體，還有電流（移動電荷產生的電流）。

在強力中，有三種基本類型的色荷，關於它的作用方式，以及膠子如何傳遞強力，想了解的話可以戳這裡夸克為啥不能自由存在？我們能否將夸克分離出來？。

在宇宙中所有的粒子都含有能量，因此都受到引力的影響，而夸克、一半的輕子（e－、μ－和τ－）和一對玻色子（W玻色子有兩個，分別帶正、負一個電子的電量）都含有電荷，因此可以感受到電磁力，只有夸克和膠子含有色荷，並能感受到強核力。

由於宇宙中物體的質量比較大，因此引力很容易觀察到。由於強核力和電磁力非常強，因此它們也很容易被觀察到。

但是最後一個力呢？弱力？

每當我們談論弱相互作用的時候，只會說某種類型的放射性衰變。這些放射性衰變會讓一個重夸克或輕子衰變為更輕更穩定的夸克和輕子。例如上圖構成中子的一個下夸克釋放出一個W玻色子，衰變為質子。弱力確實控制著這一過程，但這聽起來不像其他力的描述一樣！

但事實證明弱力實際上就是一種力，我們只是不經常聽說它以傳統的方式運作，原因是因為它太弱了！由於放射性衰變通常會涉及到帶電粒子，就使得弱力在電磁力面前顯得非常渺小，即使在一個質子的微小尺度上，電磁力也要比弱力強1000萬倍。

帶電粒子無論運動與否總有電荷，但它產生的電流取決於它相對於其他粒子的運動。正是電流定義了磁力，磁力和電磁學中的「電力」的部分一樣重要。像質子和中子這樣的複合粒子，和基本的電子一樣，都有固有的磁矩。

夸克和輕子還各有六種不同的風味：上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t），電子/電子中微子、μ子/μ中微子、τ子/τ中微子。雖然每一個夸克和輕子都帶一個電荷（中微子是零電荷），但它們也有一個與之相關的味道屬性。這些粒子可以通過傳遞弱力的w和z玻色子，在各種味道之間發生轉變，但由於這些粒子也帶電荷，因此也受電磁力的影響。

如果我們將電磁力和弱力統一起來，創造一個更基本的電弱相互作用力，然後每一個粒子都得到了所謂的弱電荷或電弱電流，以及一個弱耦合常數。這些都是標準模型預測出來的細節，但卻難以測試，主要是因為電磁力太強大了！

但就在2013年，實驗小組發現了上夸克和下夸克之間的（無量綱）弱耦合，我們第一次成功的測量了弱力的存在和影響。但與電磁力的影響相比，弱力的強度只有千億分之一！

所以確實存在有一個與夸克和輕子有關的弱電荷，我們不談論它的原因是因為弱力難以測量。但無論如何我們測量出了弱力的影響，也確定了標準模型的預測是正確的！

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