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宇宙的终极秘密~统一场论(上)

  我们生活的宇宙中存在四种基本力,分别是引力、电磁力、强相互作用力~强力、弱相互作用力~弱力,所谓“基本力”,就是我们称为“力”的各种相互作用,最终都能归纳为这四种力中,也就是说,在我们宇宙中的各种现象都是由这四种力控制的。

  既然宇宙中的所有现象都是由这四种基本力引起,那么这四种力能不能统一成为同一种力呢,物理界一直在努力~“创建一个能够解释宇宙中所有现象的最基本的理论”,即“统一场论”,如果这个终极目标能够实现,那么就可以揭示宇宙进化的历史,弄清楚宇宙诞生的机制。

  四种基本力所指的“力”,不是牛顿力学意义上的力,而是更广泛意义上的力,就是说,使物体相互吸引靠近或者相互排斥远离,以及改变粒子的种类等等,这些都被称为“力”。

  在日常生活中,我们能够感受到的力的数量,虽然多到数不胜数,而事实上,所有的力都可以归纳到“四种基本力”之中,那些“数不胜数”的力,其实都是四种最基本力的表现形式的不同,而表现出来的状态,在本质上没有任何区别,所以宇宙中所有“力”的无数的表现状态,全部被归纳入“四种基本力”之中。

   引力是指具有质量的物体吸引对方靠近的力,比如太阳对地球的吸引力;电磁力是指带电或带磁的物体吸引对方靠近或使其远离的力,比如磁铁或带电体对铁的吸引力;强力是指原子核中的质子与中子相互吸引的力;弱力是指引发中子衰变成质子等变化的力。

   二十世纪后,物理学家在原子中发现了电子和原子核,并且发现原子核是由质子和中子构成,之后,又发现质子与中子是由上夸克和下夸克组成,也就是说,所有的原子仅由电子、上夸克、下夸克这三种基本粒子组成,我们元素周期表中的一百多种元素都是由这三种基本粒子组成。

  牛顿发现,无论是苹果掉到了地上,还是月球围绕地球转动,都是由同一种力所导致,于是提出了著名的万有引力定律,指出,任何具有质量的物体间都有相互吸引力,其大小与物体的质量成正比。

   1915~1916年,阿尔伯特.爱因斯坦发表了论述时空与引力关系的理论~“广义相对论”,广义相对论认为,具有质量的物体周围的空间是弯曲的,引力就是空间的弯曲的表现形式。

   比如,由于太阳周围的空间是弯曲的,所以太阳系中的行星都围绕太阳做椭圆运动,无论是地球还是其它行星,它们自身都是笔直前进,但是,由于所处的空间是弯曲的,所以运动轨道就变弯了。

   长期以来,科学界一直认为电力与磁力是两种不同的力,到了十九世纪,1831年法拉第发现利用磁铁能产生电力开始,发现了“电磁感应定律”,1864年,英国物理学家詹姆斯.克拉克.麦克斯韦用“麦克斯韦方程”将电学和磁学统一起来,证明了电力与磁力是同一种力,之后电力与磁力被合称为“电磁力”。

  原子是由原子核和围绕原子核运动的电子组成,电子带负电,原子核(正确的说是原子核中的质子)带正电,正负电荷因为电磁力的作用互相吸引,因此电子围绕原子核旋转。

  所有的力的传递都是通过交换“基本粒子”而实现的,电磁力的传递是通过交换光子实现的,光子是光(电磁波)的不可再分割的基本单位,电磁波是传递“电磁场”的波,包括可见光、无线电波、紫外线、x射线等等,量子力学认为,电磁波不仅具有波的性质,还具有粒子的性质,这个粒子,就是“光子”。

  通过交换光子,电性相反的物体之间形成吸引力,电性相同的物体之间形成排斥力,交换的光子由于光子的运动速度极快~“光速”,交换的时间极其短暂,人类肉眼根本无法观测到,所以,例如磁铁一类的物体在交换光子的过程中,是不发出肉眼所能观测到的“光”的。

  原子核是由质子和中子组成,质子带正电,中子不带电,由于带正电的质子之间同性相斥,因此由于电磁力的作用,原子核内带正电荷的质子应该

与不带电的中子四散而开,而不是被紧紧的束缚在原子核内。

  原子核内的质子与中子的质量极其微小,所以质子与质子、中子之间的“引力”作用几乎没有,而中子不带电,电磁力对原子核内的中子不产生任何作用,所以把质子和中子束缚在原子核内的力,不是引力,也不是电磁力,而是另外一种力。

  1935年,日本物理学家汤川秀树提出“介子理论”,从理论上预言存在的一种未知的粒子,这种粒子把质子与中子结合到一起,并推测这种粒子的质量介于电子和质子之间,因此,命名这种粒子为“介子”。

   他认为原子核内的质子与中子通过交换“介子”,在质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间,产生了一种互相吸引的作用力,这种力的作用在原子核内部这类微小空间的作用大于质子之间的电磁力的排斥力,所以质子与中子才能在原子核内结合到一起,汤川秀树把这种在原子核内比电磁力强的作用力,命名为“核力”。

  1947年,科学界发现了汤川秀树预言的“介子”的存在,介子的发现,是观测宇宙射线中的质子与地球大气中的氮、氧的原子核发生碰撞所生成的粒子~“介子”,这证明了汤川秀树所预言的“核力”的存在,这种力,在之后,被命名为“强相互作用力”~“强力”。

(未完待续)

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