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一场基本力之间的较量

2016-10-18  钰鉴咖

作者:正恩



基本粒子和基本相互作用的标准模型。(? Contemporary Physics Education Project)


当我们提到自然界中的基本定律时,我们可以把一切分为四种基本力,它们支配着宇宙万物:


  1. 强核力:它将质子和中子中的夸克束缚在一起,并将原子中的质子和中子束缚在一起。

  2. 电磁力:作用于带电荷的粒子(比如电子和夸克)之间。同种电荷之间的力互相排斥,而异种电荷则互相吸引。

  3. 弱核力:制约着放射性现象,将较重以及不稳定的粒子转变为较轻的。

  4. 引力:在引力的作用下,地球、太阳系、恒星和星系才能够被紧紧地束缚在一起。



宇宙中的四种基本力。它们之间的大小,如果按绝对强度,相信你应该已经猜到了哪种基本力最强了。(? Wikimedia Commons user Kvr.Iohith)


关于这四种基本作用力的详细讨论可查看《是什么把粒子紧紧地束缚在一起?》。今天,我们要问的是,这四种基本力哪种最强?这取决于你在什么尺度下问这个问题。(查看:《探索宇宙中的极限——普朗克尺度》



一个氦原子,和原子核的大小。(? Wikimedia Commons user Yzmo)


我们先从最小的尺度(10?1?米)开始,这个尺度比一个原子还小百万倍。但是,强核力在这个尺度下却独领风骚。举个例子,氦原子核是由两个质子和两个中子构成,它们紧紧地被束缚在一起形成稳定的结构。尽管两个质子间存在电磁排斥,但也无法克服它们间的强核力作用。即使把一个中子拿走,只剩下一个中子和两个质子,氦的同位素也同样稳定。在这最小的尺度下,强核力毫无疑问远胜过其它的三种。因此在许多情况下强核力被认为是最强的。



星系半人马座A,由电磁加速引起的高能喷流。(NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al.)


但是,如果原子核越来越大,电磁力就开始接管。例如,铀-238就会经常射出一个氦原子核,因为原子核间的排斥力太大,强核力无法再把它们全部都紧紧地捆在一起。在更大的尺度,比如宇宙尺度,塌缩恒星和快速旋转的中子星产生的强磁场,可以加速带电物质至宇宙中最强的能量粒子:从天空中各个方向轰击我们的超高能宇宙射线。不像强核力,电磁力是不受作用范围限制的,一个质子的电场甚至可以在宇宙的另一端感应到。



一个大原子核的放射性β衰变。(? Wikimedia Commons user Inductiveload)


弱核力,听起来就像是最强作用力中的糟糕候选者,但即使它相对弱也有它大放异彩的时候。在正好的情况下,电磁力和强核力会相互抵消,使作用非常短程的弱核力崛起。当这种情况发生的时候,一个稳定的系统就会发生放射性(贝塔)衰变,一个中子会转变为一个质子、一个电子和一个反电中微子。杨振宁和李政道提出的宇称不守恒就是发生在弱相互作用中的(参考:《从原子到万物》)。



恒星系统的行星诞生。(? NASA/FUSE/Lynette Cook)


但是在更大的尺度下——在星系和星系团的尺度——上述的三种力就显得力不从心。尽管电磁力的作用范围可以横跨整个宇宙,但是它的作用也不会太大,因为正电荷(大多数为质子)的数量和负电荷(大多数为电子)的数量几乎相等。譬如地球或太阳,包含了几乎等量的正电荷和负电荷。由于单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全抵消了,因此两个物体之间纯粹的电磁力非常小。恒星中的核聚变和产生的辐射压强不能够把恒星扯开,是因为引力完全克服了向外的推力。简单来说,如果没有引力的作用,那么星系和星系团等就会分崩离析。



已知宇宙中最大的星系IC101。(? SDSS)


事情就这么结束了吗?当然没有,如果我们往更大的尺度看,比如横跨宇宙中的10亿光年,遍布了许多的星系团以及更大的构造。我们再看80亿、100亿甚至是150亿光年的尺度,事情变得令人困惑了起来,宇宙好像被一种未知的力控制了:暗能量!



大胖子星系团(右下角),查看:《宇宙中那些诡异般存在的天体》。(? Dark Energy Camera)


在最大的尺度下,来自于空间自身的微末能量足以克服最大质量星系和星系团之间的引力吸引。结果就是宇宙在加速的膨胀,越远的星系和星系团随着时间流逝相互远离的速度也越快。



宇宙膨胀的几种模型。(? NASA & ESA)


所以,要说谁最强?在最小的尺度,那无疑是强核力。在最高能量的情况下,由电磁力掌管。对于大尺度束缚在一起的构造,是引力。以及更大的尺度下,是神秘未知的暗能量。就绝对的大小而言,暗能量是最弱的:它历经了宇宙一半的年龄后才开始显现它的地位,而且直到1998年才被发现。但是宇宙是非常广袤的,如果把空间中所有的体积都加起来并且展望遥远的未来,暗能量最终会统治一切,支配着宇宙的命运


现在,你以为事情就这样结束了?那你就too young too simple了!因为物理学家的最终目标是把这四种基本力都统一到一个框架。但是,今天讨论这四种基本力,并不是为了讨论统一理论做准备,只是为了引出明天的《第五种力,是事实还是虚构?》。


本文经授权转载自原理微信公众号

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