| 词条 | 基本力 |
| 释义 | 基本力即自然界的4种基本力 万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力。 简介长期以来，人们有一种朴素的愿望，世界是统一的，各种基本相互作用应该有统一的起源。许多著名物理学家，例如爱因斯坦、海森堡、泡里（Pauli）等，在晚年致力于统一理论的研究，但是没有取得成功。 麦克斯韦方程统一了电和磁两种相互作用, 温伯格（1967年）和萨拉姆（1968年）在格拉肖早期工作的基础上，成功地建立了一个优美的理论，把电磁力和弱相互作用力看做是一个单一的力——电弱力——的不同表现形式，从而把它们统一起来。这模型的成功加深了人类对弱作用和电磁作用本质的认识，也推动人们在规范理论基础上，把各种相互作用力统一起来的努力。 20世纪的物理学有两次大的革命：一次是狭义相对论和广义相对论，它几乎是爱因斯坦一人完成的；另一次是量子理论的建立。经过人们的努力，量子理论与狭义相对论成功地结合成量子场论，这是迄今为止最为成功的理论。 广义相对论也有长足的发展，在小至太阳系，大至整个宇宙范围里，实验观测与理论很好地符合。但在极端条件下，引出了时空奇异，显示了理论自身的不完善。就我们现在的认识水平，量子场论和广义相对论是相互不自洽的，因此量子场论和广义相对论应该在一个更大的理论框架里统一起来。 现在已经知道，自然界中总共4种相互作用力除有引力之外的3种都可有量子理论来描述，电磁、弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换量子来解释的。但是，引力的形成完全是另一回事，爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的。在这一图像中，弥漫在空间中的物质使空间弯曲了，而弯曲的空间决定粒子的运动。人们也可以模仿解释电磁力的方法来解释引力，这时物质交换的量子称为引力子，但这一尝试却遇到了理论上的很多困难。 上个世纪后半叶以来，不少科学家提出了各种大统一理论，希望将四种力用一种理论统一起来，但都遇到这样那样的困难，其中只有弱力和电磁力的统一（称之为电弱力）较为满意。用规范理论统一四种基本相互作用是一种诱人的因素，但是在前进道路上也有可能会遭到失败。也许人们还会寻找新的途径去统一各种基本的相互作用。通过一系列探索、失败、成功，再失败，再成功，不断发现矛盾，解决矛盾，每一次循环都在加深着人类对自然界的认识。 基本力的相对强度: 若万有引力为1 则弱力为10^25 电磁力为10^36 强力为10^38 五种超弦统一:四大作用力结构表
11维超重(引)力 弱作用力 分化方向® ® ® ® ® 事例介绍阅读后面内容前，希望读者能注意到一点，理论再好，没有设计完善的实验和相关的证明，都不能作为定理，而只能是猜想。 引用一个事例： “1915年11月25日，爱因斯坦把题为“万有引力方程”的论文提交给了柏林的普鲁士科学院，完整地论述了广义相对论。在这篇文章中他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜，而且还预言：星光经过太阳会发生偏折，偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍。第一次世界大战延误了对这个数值的测定。1919年5月25日的日全食给人们提供了大战后的第一次观测机会。英国人爱丁顿奔赴非洲西海岸的普林西比岛，进行了这一观测。11月6日，汤姆逊在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上郑重宣布：得到证实的是爱因斯坦而不是牛顿所预言的结果。” 如果没有这个预言成功的实验，相对论获得承认的时间会推迟。 因此请注意，以下内容是部分人的猜测。将来的科学研究可能证明以下猜测是正确的，但是现在还都是不可证实的。另外，猜测提出人也没有说明什么样的可行的实验可以证明自己的猜测。 发展1980年代曾有人宣称发现了‘第五种力’，并一度把它解释为引力在数十米作用范围内的可能变种 (实为‘反引力’)。但仔细的实验证明，归因于第五种力的所有效应，在扣除了实验地区地质层密度的变化后，实际上都能用引力来解释。没有证据表明宇宙中还存在四种已知力之外的任何其他力，粒子物理学家的主要目标之一就是用一揽子数学模式解释全部四种力的作用方式(见大统一理论)。 四种力相对强度的差别极为悬殊。如以强力的强度为1单位，则电磁力的强度(正好是强力强度的百分之一)，弱力的强度(强力强度的百万分之一)，而引力的强度只。这意味着，比如，两个电子之间的电磁斥力比同样两个电子之间的引力倍。引力的微弱如此惊人，致使它在粒子对或几个粒子之间的相互作用中实际上不起任何作用。 但在四种力中人们最先加以科学研究的却是引力，而且(艾萨克·牛顿)建立了圆满的数学理论来描述它。这是由于引力具有可加性——物质团块中含有的粒子越多，该团块的引力越强。而且引力的作用程非常长，强度的减弱仅仅与到物质团块距离的平方成反比(平方反比律)。太阳的引力很大，因为它含有极大量粒子，而它那极长的作用程能将行星维持在它们的轨道上。 确实，正是电磁力和引力在大小上的差异才使恒星能够那样大。在太阳这类恒星的内部，核子之间的电力总是力图把它们分开，因为所有核子带正电荷，而同性电荷互相排斥。同样，原子外部的电子全都带负电荷，如果你试图把两个原子推到一起，它们总是被它们电子云之间的斥力分开。虽然电磁力也遵守平方反比律，而且原则上作用程也很长，但每个原子的净电荷却等于零，因为电子云的负电荷正好与核的正电荷相互抵消(电子因量子效应而不会落到核中；见量子理论)。所以，即使你把大量原子放到一起，总电荷仍为零，而引力则因原子数量的增多而变大。 一个物质团块一旦拥有大个原子，团块中心的原子受到的引力(它上面的全部原子的重量)将强大到使个别原子核挤到一起，使原子核互相接触，而维持恒星内部高温的核聚变过程得以开始。所以，简单地比较电磁力和引力的强度，就能够预报所有恒星必定含有至个原子核。但情形并非完全如此，因个原子不是集中在一个点，而是扩散到恒星的整个体积中。这对引力来说是个不利因素，它使引力的效率减小了1/3，因为物质团块的体积正比于半径的立方。因此，实际上，引力要能把原子压到一起并引发核聚变，团块应含有大约个原子，因为38是57的2/3。一个拥个氢原子核(记住这个数叫做海因兹汤参数)的物质团块，确实正好是比太阳小一点点的恒星的大小，它的质量大约是太阳质量的85%。 由于量子效应，稍轻一些的恒星是可能存在的，但决不会轻于太阳质量的大约10%。需要这么多质量是为了使恒星足够重，能将两个原子压到一起，使一对核发生聚变——当然，一旦恒星有那么重，它将把其深部的所有原子压到一起并引起很多核聚变。 展示引力微弱程度的另一个例子是苹果从树上落下。苹果的柄是通过原子和分子之间的电磁力维持成一体的，柄只含有很少的分子，却要忍受地球的全部粒子作用在苹果上、试图扯断它的柄并使苹果落到地面的联合引力。 另外两种力，即强核力和弱核力(通常省略‘核’字，直接称之为强力和弱力)，不遵守平方反比律，作用程很短，其影响仅及于一个原子核大小的范围。强力直接作用在夸克之间，使它们结合成强子，包括原子核中的质子和中子(重子族的成员)。尽管质子之间的电磁斥力总想把原子核炸开，强力却能从个别核子漏出而影响近旁粒子，从而将质子和中子保持在原子核内。 既然强力比电磁力大约强100倍，那么我们期望当原子核含有100个以上质子时，电磁力将占优势而使原子核不稳定(在这种情况下，电磁力由于所有质子的电荷相等而可加，作用程很短的强力则不可加，而只在相邻的核子之间起作用)。实际上，强子的处境因原子核中存在中子而稍稍轻松些，但最重的一些稳定原子核仍然含有正好超过200个核子，不过其中的质子都不到100个(甚至钚原子核的质子也只有94个)。再说一遍，对两种基本力之间平衡的简单理解，解释了本来可能成为自然界之谜的现象，即稳定元素数量是有限的。 强力的一个独特性质是，在其作用范围内，分开较远的夸克具有较大的强力。一个核子中三个夸克只要彼此相距在大约米以内，就根本不会明显感受到力的作用——它们似乎由与作用范围大致同样长的松紧带连接着。但是，当某个夸克试图运动到离它的同伴超米，‘松紧带’就开始绷紧，把它拉回到原地。它试图运动得越远，绷紧得越厉害，拉它回来的力也越大。夸克要逃离核子，仅当注入极大能量(可能通过与其他粒子碰撞)，将松紧带扯断，在断裂处的两边各产生一个由纯能量转换而来的新夸克 (见狭义相对论)，才有可能。 逃离的夸克将与一个新夸克结合，形成一个叫做介子的束缚对，而第二个新夸克则占据它在核子中的地位。 弱力的行为更加不像通常意义下的力，而是引起β衰变过程的一种相互作用。弱力的作用发生在轻子之间和产生轻子的强子衰变过程中。但弱相互作用和电磁相互作用两者能用叫做弱电理论的同一个数学描述统一起来。这个理论把这两种力描绘成单一力的不同方面；将不同力的数目减少到三种是粒子物理学家的重大成功之一，它(大概)也是建立一个将强力与弱电力统一起来的更完整数学模式的办法。 在经典力学中，粒子之间的力用场方程式描述，并想像一个粒子周围存在对其他粒子施加力的‘力场’。在量子理论中，力(或相互作用)由粒子携带（或传达）。电磁相互作用由光子传达而在带电粒子间交换；弱相互作用由叫做中介矢量玻色子的粒子传达而在轻子间(有些情况下在一个轻子和一个强子之间)交换；强相互作用由胶子传达；引力由引力子传达。有直接证据表明，除引力子外，所有这些力的载体都存在；而且几乎肯定(弦理论也预言了的)引力子确实存在，但引力的极度微弱使得对它们在粒子间交换方式的探测成为不可能。 |
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