注冊(cè)電氣工程師

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四種基本力(相互作用)

強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁力、萬有引力。

強(qiáng)相互作用力將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子中的質(zhì)子和中子束縛在一起。一般認(rèn)為，稱為膠子的一種自旋為1的粒子攜帶強(qiáng)作用力。它只能與自身以及與夸克相互作用。

弱相互作用力(弱核力)制約著放射性現(xiàn)象，并只作用于自旋為1/2的物質(zhì)粒子，而對(duì)諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。

電磁力作用于帶電荷的粒子(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(qiáng)得多：兩個(gè)電子之間的電磁力比引力大約大10^42倍。然而，共有兩種電荷——正電荷和負(fù)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。

引力是萬有的，也就是說，每一粒子都因它的質(zhì)量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有兩個(gè)特別的性質(zhì)，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會(huì)作用到非常大的距離去，并且總是吸引的。

“直到1967年倫敦帝國(guó)學(xué)院的阿伯達(dá)斯·薩拉姆和哈佛的史蒂芬·溫伯格提出了弱作用和電磁作用的統(tǒng)一理論后，弱作用才被很好地理解。此舉在物理學(xué)界所引起的震動(dòng)，可與100年前馬克斯韋統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)并駕齊驅(qū)。溫伯格——薩拉姆理論認(rèn)為，除了光子，還存在其他3個(gè)自旋為1的被統(tǒng)稱作重矢量玻色子的粒子，它們攜帶弱力。它們叫W+(W正)、W-(W負(fù))和Z0(Z零)，每一個(gè)具有大約100吉電子伏的質(zhì)量(1吉電子伏為10億電子伏)。上述理論展現(xiàn)了稱作自發(fā)對(duì)稱破缺的性質(zhì)。它表明在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實(shí)上只是同一類型粒子的不同狀態(tài)。在高能量下所有這些粒子都有相似的行為。這個(gè)效應(yīng)和輪賭盤上的輪賭球的行為相類似。在高能量下(當(dāng)這輪子轉(zhuǎn)得很快時(shí))，這球的行為基本上只有一個(gè)方式——即不斷地滾動(dòng)著;但是當(dāng)輪子慢下來時(shí)，球的能量就減少了，最終球就陷到輪子上的37個(gè)槽中的一個(gè)里面去。換言之，在低能下球可以存在于37個(gè)不同的狀態(tài)。如果由于某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會(huì)認(rèn)為存在37種不同類型的球!

“在溫伯格——薩拉姆理論中，當(dāng)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100吉電子伏時(shí)，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(duì)稱就被破壞了。W+、W-和Z0得到了大的質(zhì)量，使之?dāng)y帶的力變成非常短程。薩拉姆和溫伯格提出此理論時(shí)，很少人相信他們，因?yàn)檫€無法將粒子加速到足以達(dá)到產(chǎn)生實(shí)的W+、W-和Z0粒子所需的一百吉電子伏的能量。但在此后的十幾年里，在低能量下這個(gè)理論的其他預(yù)言和實(shí)驗(yàn)符合得這樣好，以至于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(jiǎng)。格拉肖提出過一個(gè)類似的統(tǒng)一電磁和弱作用的理論。由于1983年在CERN(歐洲核子研究中心)發(fā)現(xiàn)了具有被正確預(yù)言的質(zhì)量和其他性質(zhì)的光子的三個(gè)帶質(zhì)量的伴侶，使得諾貝爾委員會(huì)避免了犯錯(cuò)誤的難堪?！?/p>

以上四種基本力的解釋及介紹強(qiáng)力、弱力和電磁力統(tǒng)一理論的文字均引用自史蒂芬·霍金著《時(shí)間簡(jiǎn)史》一書。

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