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你了解自然界的四種基本力嗎?主宰宇宙中發生的一切

新浪科技 2019-10-29

  據國外媒體報道,各類物理力在宇宙中無處不在。從在路上行走到火箭發射,再到貼在冰箱上的冰箱貼,這些都需要力的作用。盡管看上去花樣繁多,但我們日常經歷的所有力都可以歸結成四種基本力:引力、弱力、電磁力、以及強核力。這些便是自然界的四種基本作用力,宇宙中發生的一切都由它們主宰。

  引力

  引力指兩個具有質量或能量的物體之間的相互吸引力。從橋上墜落的石塊、圍繞恒星旋轉的行星、月球引發的潮汐……這些都是引力的體現。引力大概是最容易被理解、也最為人熟知的一種基本作用力,但也是最難解釋的一種。

  牛頓是首個提出引力概念的人(據說是由樹上掉落的蘋果啟發的)。他將引力描述為兩個物體之間的吸引力。但在幾個世紀之后,愛因斯坦在廣義相對論中提出,引力其實并不是一種吸引、也不是一種力,而是物體使時空發生扭曲的結果。一個大型物體對時空的作用,有點像把一個大球放在一張床單中間,會使床單發生形變,而床單上的其它較小物體便會隨之向中間滾落。

  雖然引力能夠將行星、恒星、太陽系、甚至星系維系在一起,但它實際上是最弱的一種基本力,在分子和原子尺度上尤其微弱。你可以這樣理解:從地上拿起一個球、或者抬起一只腳、或者跳幾下到底有多難?這些動作都是在與整個地球的引力相對抗。在分子和原子尺度上,相比其它幾種基本力,引力的影響可以說微乎其微。

  弱力

  弱力又叫弱核相互作用,與粒子衰變有關。衰變是指一種類型的亞原子粒子轉變成另一類型,例如,一個靠近中子的中微子能夠將該中子轉變為質子,同時自身轉變成電子。

  物理學家通過玻色子的交換來描述這種相互作用過程。玻色子是一種攜帶著力的粒子。特定類型的玻色子分別對應著弱力、電磁力和強力。弱力涉及的是兩種名為“W玻色子”和“Z玻色子”的帶電粒子。當質子、中子和電子等亞原子粒子之間的距離小于10-18米、或質子直徑的0.1%時,玻色子就會在它們之間發生交換,使這些亞原子粒子衰變成為新的粒子。

  弱力在核聚變反應中發揮著至關重要的作用。太陽通過核聚變產生能量,滋養著大多數地球生命。此外,考古學家會利用碳14來判斷遠古時期的骨頭、木頭和其它生物化石的年代,這也與弱力分不開。碳14分子由6個質子和8個中子構成,其中一個中子衰變成質子后,便形成了氮14,由7個質子和7個中子構成。這種衰變發生的速度規律性很強,因此科學家可以用它確定古代化石的年代。

  電磁力

  電磁力又名洛倫茲力,作用于帶電粒子之間(如帶負電荷的電子和帶正電荷的質子)。電荷異性相吸、同性相斥。電荷越高,彼此之間的電磁力越強。此外和引力一樣,即使兩個帶電粒子相隔無限遠,相互之間的電磁力也依然存在,只不過會非常、非常微弱。

  從名字可以看出,電磁力由兩部分構成:電力和磁力。物理學家最初將它們描述為相互獨立的兩種力,但他們之后意識到,電力和磁力其實是同一種力的兩個成分。

  其中,無論帶電粒子處于運動狀態還是靜止狀態,電力都會在它們之間發揮作用,產生讓兩個粒子相互影響的電場。但一旦帶電粒子開始運動,它們之間就會表現出磁力、在周圍生成磁場。每當你給電腦充電、或打開電視時,電子一旦在電線中飛速運動起來,電線就會產生磁性。

  電磁力在帶電粒子之間的轉移是通過光子實現的,光子是一種沒有質量的玻色子,即構成光的粒子。不過,在帶電粒子之間轉移的光子其實是光子的另一種表現形式,它們是虛擬的,無法被探測到,雖然從技術層面來說,它們和實際存在的、可探測的光子完全相同。

  我們在日常生活中感受到的眾多現象都與電磁力有關,比如摩擦力、彈力、普通的力、以及讓固體保持一定形狀的力等等。甚至連鳥類和飛機飛行時產生的的拖曳感也與電磁力有關。這些現象之所以能夠發生,都是因為帶電粒子(或中性粒子)之間發生的相互作用。例如,一本書之所以能穩穩地放在桌面上、而不會在重力作用下透過桌面掉到地上,就是因為桌子原子中的電子會與書本原子中的電子相互排斥所致。

  強核力

  強核力又名強核相互作用,是自然界四種基本力中最強的一種,強度達引力的6×1039倍。它可以將構成物質的基本粒子結合在一起、形成更大的粒子,如將夸克結合在一起、構成質子和中子,再將質子和中子結合在一起、構成原子核。

  與弱力相似,強力只有在亞原子粒子間距離極小時才能發揮作用,彼此之間的距離不能超過10-15米,約等于質子直徑。

  強力的奇特之處在于,不同于其它幾種基本力,亞原子粒子距離越近、強力就越弱,粒子距離最遠時反而最強。一旦兩個夸克進入彼此的作用范圍,膠子(一種沒有質量的帶電玻色子)就會在它們之間傳遞強力,將它們緊緊“黏結”在一起。一小部分強力會在質子與中子之間發揮作用,名為“殘留強力”。原子核中的質子由于都帶正電荷,本應相互排斥,但殘留強力可以蓋過這種排斥力,使原子核中的粒子維持結合狀態。

  統一的自然

  關于四大基本力,有一個問題尚未解決:所謂的“四種”基本力,會不會其實是宇宙中一種高級力的不同體現呢?若真是這樣的話,各種力應當都能與其它力合并才對。而目前已經有證據體現了這種可能性。

  1979年的諾貝爾物理學家授予了哈佛大學的謝爾頓·格拉肖(Sheldon Glashow)、史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)、以及帝國理工學院的阿卜杜斯·薩拉姆(Abdus Salam),因為他們實現了電磁力與弱力的統一、提出了“電弱力”的概念。而物理學家還希望找到某種大一統理論,能夠將電弱力與強力結合在一起、形成電核力。根據模型預測,這種力的確是存在的,但目前尚未被研究人員觀察到。最終,研究人員還需要將電核力與引力統一在一起,形成真正的“萬物理論”,即能夠解釋整個宇宙的理論框架。

  但物理學家發現,要想將微觀世界與宏觀世界結合在一起相當困難。在較大尺度、尤其是天文尺度上,引力占主導作用,最好用愛因斯坦的廣義相對論來解釋。但在分子、原子或亞原子尺度上,自然界則最好由量子力學來解釋。而到目前為止,還沒有人能很好地將這兩個迥異的世界設法結合在一起。

  研究“量子引力”的物理學家希望能用量子世界的概念來描述引力,從而推進兩個世界的結合。而這種方法的關鍵在于找到引力子,即理論上存在的引力玻色子。引力是目前唯一一種不用玻色子便可描述的基本力,但由于其它幾種基本力的解釋都需要玻色子,科學家認為一定也存在亞原子級別的引力子,只是尚未找到而已。

  “暗物質”和“暗能量”的概念則使整個局面變得更加繁冗復雜。宇宙約95%都由它們構成。目前仍不清楚暗物質和暗能量究竟是由單個粒子構成、還是由一整套擁有自己的力和“信使”玻色子的粒子構成。

  目前科學家最感興趣的信使粒子主要是理論中的“暗光子”,它可以調解可見宇宙與不可見宇宙之間的相互作用。假如暗光子真的存在,將成為我們探測暗物質的關鍵,并幫助科學家發現第五種基本力。不過目前為止,科學家尚未發現任何暗光子存在的跡象,甚至有研究提出了“暗光子并不存在”的強有力證據。(葉子)

責任編輯:王超

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