当前位置:首页>三生万物奖>支配宇宙的四种“力量”:关于四大基本力,你知道多少?

支配宇宙的四种“力量”:关于四大基本力,你知道多少?

热帖

尽管宇宙浩瀚得令人我们难以想象,但它的运行规律却是简洁而优美的,比如说已知宇宙中所有的相互作用,基实都可以归结为四种“力量”,它们控制着宇宙中不同范围和尺度上的相互作用,支配着整个宇宙的运行。

支配宇宙的四种“力量”被称为四大基本力,它们分别是引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力,那么关于这四大基本力,你知道多少呢?

引力

引力是一种我们非常熟悉的基本力,毕竟我们随时随地都在感受到地球引力的作用。

最早用数学公式描述引力的是牛顿,他认为有质量的物体都会产生引力,并且引力的作用距离无限远。但牛顿并没有解释引力是如何产生以及传递的,到了20世纪,爱因斯坦在他提出的《广义相对论》中,将引力解释为时空的弯曲,他认为有质量的物质都会使其周围的时空发生弯曲,而弯曲的时空则会反过影响物质的运动。

不过爱因斯坦并没有考虑引力在微观尺度上是如何表现出粒子性,也就是说引力并没有被量子化,尽管物理学家预测了有一种被称为“引力子”的基本粒子,但直到现在,“引力子”是否真的存在,仍然是一个未解之谜。

在四大基本力中,引力的强度是最弱的,有多弱呢?举个例子,假设你将一枚铁质的回形针放在地球表面,然后再用一块磁铁从上方去不断接近这枚回形针,那么不出意外的话,当距离近到了一定的程度,这枚回形针就会磁铁吸离地面,这就意味着,整个地球对回形针产生的引力,还比不过你手中的这块小小的磁铁所产生的电磁力。

尽管引力是如此之弱,但它却有一个特点,那就是它是长程力,并且只有吸引力,没有排斥力,这就使得引力可以无限叠加,变得非常巨大,所以在宇宙的宏观尺度上,引力是占据主导作用的基本力,它决定了宇宙中众多天体的形成以及运行。

电磁力

电磁力就是基本粒子在电荷、电流和磁场的相互作用下所产生的力,由于电磁力是一种有极性的力(即同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引),因此在电磁力的作用下,物质就可以形成不同的形态结构,例如原子就是由带正电的原子核和带负电的电子构成、分子则是通过不同的原子之间的电磁力结合在一起。

电力和磁力曾经被认为是两种不同但彼此相关的力,直到18世纪,科学家们才逐渐发现,电和磁很可能就是一回事,比如说变化的磁场能产生电流,而电流也能产生磁场,最终,麦克斯韦用数学方程式将电力和磁力完美地统一成电磁力。

到了20世纪,科学家们发现了电磁场的量子性,随后提出了一种被称为光子的基本粒子。简单来讲,光子可被视为是电磁场的量子化表现,物质之间的电磁力,其实就是通过光子传递的。

值得一提的是,在我们的日常生活中,电磁力可以说是无处不在,从本质上来讲,我们所常见的力如支撑力、拉力、推力、弹力、摩擦力……等等等等,其实都是电磁力的作用。

强相互作用力

这是一种只在微观尺度上起作用的基本力,它可以使夸克之间产生强大的吸引作用,进而形成像中子、质子这样的复合粒子,这种由强相互作用力形成的复合粒子被称为强子(hadron),除了形成强子之外,强相互作用力还有一个残余效应,这种效应使得质子和中子之间也会产生强大的吸引作用,进而形成原子核。

强相互作用力发现于20世纪中叶,科学家在利用粒子加速器将高能粒子撞击原子核的时候发现,在被“撞碎”的原子核的“碎片”之中,不但存在着质子和中子,还存在着一些其他类型的粒子,并且这些粒子的寿命通常都很短,它们很快就会发生衰变,于是科学家据此推测,这些粒子是由更小的基本粒子,后来这种基本粒子就被称为夸克(quark)。

总的来讲,夸克有六种不同的“味道”(flavor),分别叫做上(up)、下(down)、奇(strange)、粲(charm)、底(bottom)和顶(top),每种夸克还有三种不同的“颜色”(color),分别叫做红(red)、绿(green)和蓝(blue),夸克之间通过交换一种被称为胶子的基本粒子产生强相互作用力。

(注:夸克的“味道”和“颜色”只是为了方便区别它们,而不是真正描述了夸克的具体性质)

强相互作用力有一个特点,那就是在其作用范围内,它会随着距离的增大而迅速增强,也会随着距离的减小而迅速减弱,这被称为“渐进自由”。

这样的现象就会导致想要将两个夸克彼此分开,就必须输入很高的能量,而在能量大到足以将两个夸克彻底分离之前,输入的能量就足以激发出一对“新”的夸克,于是“旧”的夸克还没有分开,“新”的夸克就已经产生,在此之后,“旧夸克”和“新夸克”又会迅速地各自结合在一起,进而形成两对夸克。这就意味着,我们根本没有办法得到单个的夸克,这样的现象也被称为“夸克禁闭”。

所以夸克就只能以两个或三个为一组形成强子,其中两个夸克组成的强子被称为介子(meson),比如说π介子、K介子,而由三个夸克组成的强子被称为重子(baryon),比如说质子由一个下夸克和两个上夸克构成,中子由两个下夸克和一个上夸克构成,它们都是重子。

在宇宙中支配宇宙的四种“力量”之中,强相互作用力是最强的,它有一个非常重要的作用,那就是驱动恒星内部的核聚变反应,进而使恒星发光发热成为可能,可以说没有了这种基本力,我们的宇宙将没有那些闪亮的恒星。

弱相互作用力

这种基本力发现于20世纪初,当时的科学家观察到,一些具有放射性的元素会自发地发射出电子或正电子等粒子,并使得原子核发生变化,这种现象被称为“β衰变”,在此之后,科学家逐渐意识到,造成“β衰变”的是一种新的基本力,并将其称为弱相互作用力。

弱相互作用力也是只在微观尺度上起作用,它通过W+玻色子、W-玻色子和Z玻色子这三种基本粒子来产生,其所起的作用让夸克的“味道”发生改变,从而导致不同类型的粒子之间的发生转化。

例如弱相互作用力可以让中子内的一个下夸克转变成上夸克,同时释放出一个W-玻色子,而这个W-玻色子的寿命极为短暂,它很快就衰变成了一个电子和一个反电子中微子,这其实就是中子通过“负β衰变”转变成质子的过程,即:中子转变成质子,同时释放出一个电子和一个反电子中微子。

反过来讲,弱相互作用力也可以让质子内的一个上夸克转变成下夸克,进而使质子通过“正β衰变”转变成中子,同时释放出一个正电子和一个电子中微子。

值得注意的是,根据目前的主流理论“大爆炸宇宙论”,在宇宙诞生之初,正是弱相互作用力造成了物质和反物质之间产生了微小的不对称,才使得宇宙可以演化成现在我们所看到的样子。

除此之外,弱相互作用也使得氢原子核的聚变成为了可能,这是因为氢原子核其实就是质子,而质子发生核聚变的第一步,就是两个质子形成含有一个中子和一个质子的氘原子核,而这一步就必须要有弱相互作用力的参与。由此可见,弱相互作用力在宇宙中所起的作用还是相当大的。

结语:

以上所述只是对支配宇宙的四种“力量”进行了较为简单的概述,实际上,它们还有很多复杂而精妙的细节和问题,等待着我们去探索。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

内容由奇点天文收集整理

本文由奇点天文作者上传并发布,奇点天文仅提供文章投稿展示,文章仅代表作者个人观点,不代表奇点天文立场。

本文由奇点天文作者上传并发布,奇点天文仅提供文章投稿展示,文章仅代表作者个人观点,不代表奇点天文立场。

给TA充能
共{{data.count}}人
人已充能
三生万物奖奇点妙想

中国天文学家提出3检验3.5 keV发射线轴子转化起源假说的方法

2023-5-26 22:24:34

三生万物奖奇点妙想

和NASA的飞船一起,回望地球,感受宇宙的宏大

2023-5-27 9:35:59

0 条回复 A文章作者 M管理员
    暂无讨论,说说你的看法吧
个人中心
购物车
优惠劵
今日签到
有新私信 私信列表
搜索