啥叫四種基本力,質子帶正電本來相斥,為啥卻粘在一起?

2020-12-12 時空通訊

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。

萬用引力和電磁作用力我們每天都接觸到,更多是表現在宏觀方面。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?就是比原子更小更深層次的物質,如電子、質子、中子、夸克、中微子等等,這些亞原子本身也層次大小不同。

強力主要作用在強子層面,質子、中子能夠緊挨在一起,就是強力在起作用;弱力的作用層面就更小了,主要在作用於電子、夸克層子、中微子等費米子層面,並制約著放射性現象,對光子、引子等玻色子不起作用。

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。從中我們可以看出,電磁力比強力小100倍,弱力比強力小10萬倍,而引力比強力小100萬億億億億倍。可見引力之弱,差距太大。

原子核中的質子依靠強力束縛在一起。

強力全稱叫強相互作用力,又叫強核力,是這種力將原子核裡的質子、中子束縛在一起,而且還把質子和中子中的夸克束縛在一起。

我們知道,在電磁作用力裡面,同性相斥,異性相吸。我們這個世界一起物質都是由原子組成,而原子是由原子核和電子組成,原子核由帶正電的質子和不帶電的中子組成,因此原子核是帶正電的。這樣,每個原子理論上說,帶負電的電子與原子核就一直有相互吸引到一起的趨勢。至於它們為什麼沒有吸在一起,而且還有一個很大的空間,有解釋是由於電子的能量動量,才讓原子運動形成一個平衡,才讓原子呈現穩定的中性。現代量子力學不確定性原理對這種解釋並不認同,我們這裡不展開說。

但原子核中的質子帶正電,具有相互排斥的庫侖力是沒有異議的。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。而迄今為止,我們世界的一切現象和本質,都受著這四種力的制約,都可以用這四種力來解釋。但這四種力各有一套理論和方程組,很複雜。有沒有一種理論可以把這四種力統一到一個框架裡解釋呢?如果能夠做到這個統一,人類對這個世界的了解就會更加簡單明了和深入了。

這就是所謂的大統一理論。科學家們近一個世紀以來,就一直希望找到一個大統一理論來來解釋這個世界。愛因斯坦在上世紀三十年代開始,就著手研究大統一理論,一直沒有取得突破。愛因斯坦帶著遺憾於1955年逝世不久,到了六十年代,研究終於有了進展。

由格拉肖、溫伯格、薩拉姆三位科學家,根據楊振寧—米爾斯規範場理論,先後獨立提出電磁作用和弱作用具有統一性的思想,建立弱電統一理論。他們用這種理論可以分別解釋弱相互作用和電磁相互作用的各種現象,並且發現了理論預言中的粒子,從而確定了弱、電統一理論的成功。由此他們獲得了1979年諾貝爾物理學獎。

大統一理論研究在繼續。

弱、電兩種作用力的統一讓人們看到了大統一曙光,科學家們又開始了弱、電、強相互作用統一的研究,這項研究雖有重大進展,但尚有爭議,至今沒有一個共識和定論。現在科學界認為最難統一的是引力,因為引力太弱了,在微觀粒子層面幾乎沒有起作用,而是比它強很多的電磁力在起作用。

後來出現並興起的弦理論給大統一理論帶來了希望,這個理論說來很複雜,需要專門的篇幅來解釋,這裡就不展開說了。總之,在科學家們的努力下,我想總有一天會實現四種力的大統一,讓人類對大自然的認識上升到一個新的層面,從而促進人類文明升級。

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