新周公復活: 5月 2012

宇宙中4種基本自然力的分類

(文章來源)

http://baike.baidu.com/view/2572153.htm?func=retitle

第一種力是引力，這種力是萬有引力，也就是說，每一粒子都因它的質量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多

人們把兩個物質粒子之間的引力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子所攜帶。它自身沒有質量，所以所攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以歸結為構成這兩個物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的，它們確實產生了可測量的效應——它們使地球繞著太陽公轉！實引力構成了經典物理學家稱之為引力波的東西，它是如此之弱——並且要探測到它是如此之困難，以致於還從來未被觀測到過。

第二種力是電磁力。它作用於帶電荷的粒子（例如電子和夸克）之間，但不和不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力強得多：兩個電子之間的電磁力比引力大約大100億億億億億（在1後面有42個0）倍。然而，共有兩種電荷——正電荷和負電荷。同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸引。一個大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負電荷。由於單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個物體之間純粹的電磁力非常小。然而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負電的電子和帶正電的核中的質子之間的電磁力使得電子繞著原子的核作公轉，正如同引力使得地球繞著太陽旋轉一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由於稱作光子的無質量的自旋為1的粒子的交換所引起的。而且，這兒所交換的光子是虛粒子。但是，電子從一個允許軌道改變到另一個離核更近的允許軌道時，以發射出實光子的形式釋放能量——如果其波長剛好，則為肉眼可以

觀察到的可見光，或可用諸如照相底版的光子探測器來觀察。同樣，如果一個光子和原子相碰撞，可將電子從離核較近的允許軌道移動到較遠的軌道。這樣光子的能量被消耗殆盡，也就是被吸收了。

第三種力稱為弱相互作用力。它制約著放射性現象，並只作用於自旋為1/2的物質粒子，而對諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。直到1967年倫敦帝國學院的阿伯達斯·薩拉姆和哈佛的史蒂芬·溫伯格提出了弱相互作用和電磁作用的統一理論後，弱作用才被很好地理解。此舉在物理學界所引起的震動，可與100年前馬克斯韋統一了電學和磁學並駕齊驅。溫伯格——薩拉姆理論認為，除了光子，還存在其他3個自旋為1的被統稱作重矢量玻色子的粒子，它們攜帶弱相互作用力。它們叫W+（W正）、W－（W負）和Z0（Z零），每一個具有大約100吉電子伏的質量（1吉電子伏為10億電子伏）。上述理論展現了稱作自發對稱破缺的性質。它表明在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實上只是同一類型粒子的不同狀態。在高能量下所有這些粒子都有相似的行為。這個效應和輪賭盤上的輪賭球的行為相類似。在高能量下（當這輪子轉得很快時），這球的行為基本上只有一個方式——即不斷地滾動著；但是當輪子慢下來時，球的能量就減少了，最終球就陷到輪子上的37個槽中的一個里面去。換言之，在低能下球可以存在於37個不同的狀態。如果由於某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會認為存在37種不同類型的球！

在溫伯格——薩拉姆理論中，當能量遠遠超過100吉電子伏時，這三種新粒子和光子的行為方式很相似。但是，大部份正常情況下能量要比這低，粒子之間的對稱就被破壞了。W+、W－和Z0得到了大的質量，使之攜帶的力變成非常短程。薩拉姆和溫伯格提出此理論時，很少人相信他們，因為還無法將粒子加速到足以達到產生實的W+、W－和Z0粒子所需的一百吉電子伏的能量。但在此後的十幾年裡，在低能量下這個理論的其他預言和實驗符合得這樣好，以至於他們和也在哈佛的謝爾登·格拉肖一起被授予1979年的物理諾貝爾獎。格拉肖提出過一個類似的統一電磁和弱作用的理論。由於1983年在CERN（歐洲核子研究中心）發現了具有被正確預言的質量和其他性質的光子的三個帶質量的伴侶，使得諾貝爾委員會避免了犯錯誤的難堪。領導幾百名物理學家作出此發現的卡拉·魯比亞和發展了被使用的反物質儲藏系統的cERN工程師西蒙·范德·米爾分享了1984年的諾貝爾獎。（除非你已經是巔峰人物，當今要在實驗物理學上留下痕跡極其困難！）

第四種力是強相互作用力。它將質子和中子中的夸克束縛在一起，並將原子中的質子和中子束縛在一起。一般認為，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強相互作用力。它只能與自身以及與夸克相互作用。強相互作用力具有一種稱為禁閉的古怪性質：它總是把粒子束縛成不帶顏色的結合體。由於夸克有顏色（紅、綠或藍），人們不能得到單獨的夸克。反之，一個紅夸克必須用一串膠子和一個綠夸克以及一個藍夸克聯結在一起（紅+綠+藍=白）。這樣的三胞胎構成了質子或中子。其他的可能性是由一個夸克和一個反夸克組成的對（紅+反紅，或綠+反綠，或藍+反藍=白）。這樣的結合構成稱為介子的粒子。介子是不穩定的，因為夸克和反夸克會互相湮滅而產生電子和其他粒子。類似地，由於膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單獨的膠子。相反地，人們所能得到的膠子的團，其迭加起來的顏色必須是白的。這樣的團形成了稱為膠球的不穩定粒子。

色禁閉使得人們觀察不到一個孤立的夸克或膠子，這事實使得將夸克和膠子當作粒子的整個見解看起來有點玄學的味道。然而，強核力還有一個叫做漸近自由的性質，它使得夸克和膠子成為定義得很好的概念。在正常能量下，強核力確實很強，它將夸克很緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實驗反質子在高能下碰撞，產生了一對幾乎自由的夸克。指出，在高能下強作用力變得弱得多，夸克和膠子的行為就像自由粒子那樣,一個質子和一個