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第11章 四大基本力

11-1、强核力

强核力,是指作用于强子之中或强子之间的力。是所知的宇宙间四种基本力中最强的,作用距离第二短的。是使夸克结合成为质子、中子等强子以及使质子、中子结合成原子核的力。自1947年发现了与核子作用的兀介子以后,实验陆续发现了几百种有强相互作用的粒子,这些具有强相互作用的粒子就称为是强子。

一般认为在夸克之间传递强作用力的是胶子,夸克之间通过交换胶子而互相作用。在能量不是非常高的情况下,强相互作用的媒介粒子是介子,比如质子与中子之间就是通过介子实现强相互作用的。强核力具有最强的对称性,遵丛的守恒定律最多。强核力引起的衰变称强衰变,强衰变粒子的平均寿命最短,10-2010-24s,强衰变粒子称为不稳定粒子或共振态。

强核力,顾名思义,就是作用距离仅限于原子核附近的发力机制,是一种短程力。但这种短程力对外界产生影响时,会以光子为载体转化为长程力。如太阳辐射的巨大能量主要是来自强核力。所以可视强核力、弱核力、电磁力都可以从短程力转化为长程力。传递强核力的π0介子,传递弱核力的中性玻色子(Z0)都会很快衰变成光子;π+与π-碰撞会转化成光子;W+W-碰撞也会转化成光子。因此在光子中强核力、弱核力、电有磁力是不分的,是统一的。短程力都是以光子为载体转化为长程力,将能量辐射出去的。

11-2、弱核力

在粒子物理学的标准模型中,弱核力,是指由玻色子的发射或吸收所造成了相互作用力。是由WZ玻色子的交换,即发射或吸收所引起的。所以,弱核力是一种非接触力。由于重的粒子性质不稳定;WZ玻色子比质子或中子重得多,因此很容易会发生β衰变。但是β衰变发生的概率比强相互作用低很多,表示它的强度比电磁力及强核力弱好几个数量级,所以叫作“弱力”;又因为它的作用距离非常短,比强核力还要短,仅限于核子的内部,所以就是即弱又短的力,就是弱核力。

弱核力最早的描述是在1930年代,是四费米子接解相互作用的费米理论。“接解”指是没有作用距离。但现在最好是用有作用距离的场来描述它,尽管那个距离很短,但弱核力仍然是一种非接触力。在1968年,电磁力与弱核力统一了,它们是同一种力的两个方面,现在叫做“电弱相互作用”。

电弱相互作用共有两种:第一种叫做“载荷流相互作用”,因为负责传递它的粒子带电荷(W+W-);第二种叫做中性流相互作用,因为负责传递它的粒子,Z玻色子是中性的,不带电荷。

电弱相互作具有三种独一无二的特别性质:唯一能够改变夸克味的相互作用;唯能令宇称不守恒的相互作,因此也是唯一违返CP对称的相互作用;由希格斯机制可以得出,弱电相互作用是由具质量的规范皮色子所介导的相互作用。

电弱相互作会影响所有的费米子,即所有自旋为半奇数的粒子。一般次原子粒子的放射性衰变就是由它所引起的。其中β衰变是最有名的,电弱相互作用在β衰变中最为明显。另外在由氢生产重氢和氦的过程中(恒星热核反应的能量来源)也很明显,放射性碳定年法用的就是这种衰变。它也可以造出辐射冷光,常见于超重氢照明;也造就了β伏这一应用领域,就是把β射线的电子当电流用。

11-3、电磁力

电磁力,是指处于电场、磁场或电磁场的电荷、电流以及带电粒子所受的力的总称。也有称载流导体在磁场中受的力为电磁力;静止电荷在静电场中受的力为静电力。带电粒子、电流或载流导体间以电场、磁场或电磁场为媒价传递相互作用力。电荷分为正电荷和负电荷,同种电荷相互排斥;异种电荷相互吸引。

静止带电体,可以看作是由许多点电荷构成的,两个静止带电体之间的静电力就是构成它们的那些点电荷之间相作用力的失量和。每一对静止电荷之间的相互作用力都遵循库仑定律。因此,静电力又称为库仑力。静电力以电场为媒介传递,即带电体在其周围产生电场,电场对置于其中的另一带电体施以作用力,且两个带电体受到的静电力相等。静电力作功与路径无关,是一种势能,所以静场也称势场。库仑定律可以计算两个静止点电荷之间的力,但对更为复杂的带电系统,用库仑定律去计算就很麻烦,即使对充电平行板电容器两极板间的力这种简单的计算也相当困难。

对于移动电荷的受力情况,用洛仑兹定律来计算就变得相当容易。洛仑兹定律应该称作洛仑兹公理更为恰当,因为它不是从别的理论推导出来的,而是从电场和磁场的认识中直接获得的。移动的电荷除电场之外,还必然会产生磁场,洛仑兹公理就是对电学和磁学的统一,就是电荷在电磁场中的规律的描述。电磁学是对移动的电荷的研究,所以又称电动力学。在静电学里,场源电荷所产生的电场与试探距离的平方成反比,但在静磁学里无法获得类似的结果;而在电动力学里可以获得:移动中的场源电荷,所产生的电场、磁场与试探距离的平方成反比。所以电磁力遵守平方反比定律。

当进入到原子的尺度时,带正电荷的原子核与带负电的电子,通过电磁力紧密的结合在一起,这种情况就必须用量子化的电磁场来描述。把两个粒子之间的作用看成是在交换光子。这种用量子化的电磁场描述粒子间的电磁相互作用力,就是量子电动力学,是量子力学和电磁学的整合统一。在量子电动力学中,粒子和场的交互作用和光子有关,光子和带电粒子之间的作用造成了所有的电磁学现象。

11-4、万有引力

牛顿普适的万有引力定律表述是:任何两个质点都存在通过其连心线方向上的相互吸引的力。该引力大小与它们的质量的乘积成正比与它们的距离的平方成反比,与两物体的化学组成和其间的介质种类无关。

伽利略在1632年提出了“离心力”和“向心力”的初步想法;1673年惠根斯在《摆钟》一书中发表了“离心力定律”;从1665年至1685年,牛顿花了整整二十年的时间,才沿着离心力——向心力——重力——万有引力的演化顺序,终于提出“万有引力”这个概念。在前十年里,牛顿只用离心力定律和开普勒第三定律证明了圆轨道上的引力平方反比关系,但不是椭圆轨道上的。之后他运用了开普勒第二定律,但在证明方法上没有什么突破。到了1684年,椭圆轨道上的引力也遵循平方反比关系其实并不是一个秘密了,比如胡克或许比牛顿更早知这个规律。但是只有牛顿才能在数学上证明这个定律。

十七纪的欧洲,由于当时的生产和自然哲学提出了许多新问题,因此数学遭遇了其历史上的第二次危机。在此危难之际,皮纳尔、迪卡尔和沃利斯分别发明了《对数》、《解析几何》、《无穷算术》,但仍然不能满足当时的需求。牛顿在受到当代数学的深远影响之后,他将至古希腊以来求解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法:正流数术(微分)和反流数术(积分),并确立了这两类运算的互逆关系,这便就是我们现在所熟知的“微积分”。在微积分的助力之下,牛顿概据开普勒第三定律,从离心力定律演化出了向心力定律,从而证明了万有引力定律。

牛顿在推出万有引力定律时,其实并没有得出引力常量G”的具体数值。1789年卡文迪什利用他所发明的扭秤得出了“G”的具体数值。“扭秤实验”不仅证实了万有引力定律,同时也让此定律有了更广泛的使用价值。万有引力定律的发现,是17世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来,对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次解释了(自然界中四种相互作用之一)一种基本相互作用的规律,在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。

1905年爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》,也就是“狭义相对论”,是由两条基本假设前提推导出来的:

1)光速不变原理:在任何惯性系中或真空中,光速都恒定不变,与光源及观测者的运动状况无关;

2)狭义相对性原理:物理学的基本定律乃至自然规律,对所有惯性系来说都是相同的。“狭义”表示的是,只适用于惯性参考系。

“狭义相对论”取得成功之后,爱因斯坦一度试图把“万有引力定律”纳入到电动力学的框架中,但几翻尝试,最终都宣告失败。爱因斯坦不得不承认狭义相对论容纳不了万有引力定律。但是他并没有因此而放弃,经过各种思想试验,他发现在一个惯性系中,局部的惯性力和引力是等效的;与此同时,他也发现了狭义相对论中的一个重大失误——“惯性系”是个无法定义的概念。如果尝试去定义“惯性系”就会出现死循环:一般的,不受外力的物体,在其保持静止或均速直线运动状态不变的坐标系,就是惯性系;但如何判定物体不受外力?回答只能是:当物体保持静止或均速直线运动时,物体不受外力。很明显,这是循环定义的逻辑错误。不得不说“惯性系”是狭义相对论的一个严重缺憾。于是,爱因斯坦干脆剔除了“惯性系”这个概念,以“参考系”代之,将狭义相对性原理提升为了广义相对性原理。基于以上原因,他又提出了两个基本假设来做为广义相对论的前提:

3)等效原理:惯性力场与引力场的力学效应是局部不可分辩的;

4)广义相对性原理:所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式。

1905年,爱因斯坦发表了一篇控讨光线在狭义相对论中,重力和加速度对其影响的论文,广义相对论雏形就此确立;1912年发表了一篇,探讨如何将引场用几何语言来描述的论文,广义相对论的运动学出现了;1916年发表了“爱因斯坦场方程”,整个广义相对论的运动力学终于竣工了。

广义相对论,利用惯性力与引力等效的原理,建立了时空的黎曼几何弯曲,描述了万有引力效应。即然“惯性系”这个概念已经被爱因斯坦否定掉了,为什么等效原理还能用呢?其实等效原理的结论是:没有惯性系,那么就没有所谓的惯性力;由于惯性力与引力等效,所以引力也是不存在的。等效原理真正要假设的是:物质在时空中沿测地线运行。“万有引力”并不是作用在物体上的某种力,而是对物体沿测地线运动的描述。物体为什么一定要沿测地线运行呢?也就是爱因斯坦是基于什么提出的这个假设呢?其实就是基于“惯性”,因为,如果时空是平直的,惯性就是静止或均速直线运动;如果时空是弯曲的,物体仍然要保持均速直线运动,那么就会走测地线。就是说:因为物体要保持均速直线运动,所以在弯曲时空中就一定是走测地线的。虽然“惯性系”这个概念是严重的逻辑错误,爱因斯坦也很想将其抛弃,但终究还是摆脱不掉。其实物质一定要沿测地线运行,我觉得可以用能量最低原理来解释。因为测地线是距离最短的,耗能最少的;物质系统都遵循“能量低原理”,所以物质一定是沿测地线运行的。

物质在时空中是沿测地线运行的;时空因为质量而发生了黎曼几何弯曲,质量越大就会造成越大的时空弯曲,因此导致了小质量物体围绕大质量物体运行。牛顿的万有引力定律正是描述这种现象的经典理论,然而在强大的引力场中万有引力定律有时就会失去准确性,比如水星进动,万有引力就无法解释;在微观粒子界万有引力是完全失效的。但广义相对论在这两个领域都适用,而且是精准的。因此,广义相对论是比万有引力定律更基础的,更具有客观必然性的知识;是更接近于“引力”的本质的。

广义相对论完成之后,爱因斯坦余生的精力全部放在了统一四大基本力的工作上,但终其一生也没有实现。直到今天四大基本力的统一仍然还是物理学界的一大难题。量子力学为了解决这一难题,提出了“引力子”的假设,但是从来没有发现过这种粒子存在的可能性。迄今为止,对引力最好的解释还是广义相对论(我的理解就是“黎曼几何运动力学”)。引力:是基于物质系统能量最低原理,物体在黎曼几何弯曲的时空中沿测地线运行的运动现象。

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