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四大基本作用力的主要区别是什么?

四大基本作用力按照发现时间依次为:引力,电磁力,强力,弱力。主要区别简单地说有两点,一个是作用的对象不同,一个是传递的方式不同。

(1)作用对象不同:

引力之作用于有质量的粒子,注意这个质量不是静质量,而是动质量,就是E=Mc^2中的M,和能量等价。也就是说引力可以作用到一切有能量的物质,我们宇宙中一切物质都是有能量的,所以说引力作用到一切物质。

电磁力作用到一切有电荷的粒子,包括电子,夸克,以及它们组成的复合粒子,还有传递弱力的W粒子。暗物质就是因为没有电荷,不参与电磁力,所以不发光。

强力作用到一切有色荷的粒子,包括夸克和胶子。夸克通过强力组成质子和中子,剩余的强力使质子和中子组成原子核。胶子虽然是强力的传递者,但自身也可以通过强力凝聚一起组成胶子球。

弱力作用到一切有弱同位旋的粒子,导致粒子衰变。有趣的是弱力是唯一一个宇称不守恒的,只有左旋的电子(右旋的正电子),左旋的中微子(右旋的反中微子,如果中微子不是Majorana粒子),左旋的夸克之(右旋的反夸克)之间会产生弱力。

(2)传递方式不同

引力通过引力子传递(尽管量子引力理论一直没有实验证实),引力子和光子一样没有静质量,所以可以作用到无限远,按照平方反比定律衰减。引力强度非常弱,同样距离下只有电磁力的10^36分之一,也就是万亿亿亿亿分之一。引力子的自旋为2,是张量场。

电磁力通过光子传播,符合U(1)对称性。光子没有静质量,所以作用到无限远,按照平方反比定律衰减。虽然电磁力作用比引力强很多,但是引力可以靠质量积累变得强大,电磁力却因为电荷中和无法积累。光子的自旋为1,是矢量场。

强力通过胶子传播。之所以叫强力,是因为它在质子尺度上作用强度是电磁力的一百倍以上。但是强力符合SU(3)对称性(所以胶子有八种“色荷”),有“渐进自由”的特性,夸克靠的越近,强度反而下降,所以没有单独夸克。胶子自旋为1,是矢量场。

弱力通过W和Z玻色子传播,在质子尺度上作用强度是电磁力的万亿分之一。弱力符合SU(2)对称性。W和Z玻色子都是自旋为1的矢量场。弱力与电磁力在更高的能量上是统一的,合称“电弱相互作用”。在较低能量上,因为higgs机制,W和Z玻色子获得了静质量,弱力和电磁力分开。

种种迹象表明强力和电弱相互作用在更高能量上也应该是统一的,但是目前理论模型还没经过实验验证,还需要更大的对撞机和更长的时间,这很可能是高能物理实验的下一个突破点。

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