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是什么把粒子紧紧地束缚在一起?

2017-02-27  _王文波

《什么是“基本”?》《世界是由什么构成中》我们已经详细的谈到了构成我们世界最基本粒子:夸克和轻子。所以.......

我们熟悉并热爱的宇宙之所以存在,是因为基本粒子间的相互作用,这些作用包括了吸引、排斥、衰变和湮灭。

物理学家经过过去一个世纪的努力,已经搞清楚了粒子间共有四个基本相互作用,世界上所有的力都可以被归纳为这四个相互作用

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没错,日常生活中我们熟悉的摩擦力、磁力、引力、原子核衰变等等都是由这四个基本相互作用力之一所引起的。

等等,上面我们说了力和相互作用,难道它们有所不同?严格来说,力是因为一个粒子的存在影响了另一个粒子,粒子的相互作用包括了全部影响它的力,但也包括粒子可能经历的衰变和湮灭(我们之后会谈到这衰变和湮灭)。

这个原因让大部分人搞不清楚,甚至是一些物理学家也经常随意地使用“力”和“相互作用”,但是显然“相互作用”的用法更加准确。举个例子,我们叫带有相互作用力的粒子为“载力粒子”。通常你可以随意使用两者,但是必须记住它们间的区别。

那么,粒子是如何相互作用的?

这并不是一个好回答的问题,物理学家为此困扰了多年。

这里的问题重点在于物体并没有直接的接触就可以相互作用!两个磁铁是如何“感觉”到对方的存在而适时的产生吸引或排斥?太阳又是如何吸引着地球

好吧,你肯定会理所当然的认为,那不就是“磁力”和牛顿的“万有引力”嘛!因为这些现象在生活中太司空见惯,以至于我们都没有停下来细想一下,这些力到底是什么?额,想了一下,是不是没头绪..........

如果你不知道并没有关系,因为当年牛顿提出万有引力后他自己也并不知道答案,他直接认为这只是神奇的“超距作用”。

看不见的作用

你可以把力想象成类似于下面的情况:

两个人站在冰上,一个人摆动他的手并被向后推。过了一会儿,另一个人接住一个看不见的物体然后往后退。我们假设这个看不见的物体是个篮球。虽然你不能看到这颗篮球,但你能假设一个人丢出篮球给另一个人,因为你看到它作用在人身上的结果。

结果显示作用在物质粒子上的所有作用力都是通过交换载力粒子而产生的,这些粒子就想篮球一样,被两个物质粒子抛来抛去。简单的说,载力粒子就是两个粒子之间的信使。

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所谓的力是通过载力粒子的交换而产生的,这样的理论已经得到了实验数据大力的支持。

关于载力者,我们必须知道一件事:一个特定的带力粒子只能够按特定力所影响的物质粒子吸收或放出。举个粒子来说,电子和质子有电荷,所以它们就能放出或吸收电磁载力者——光子。也就是说只有特定的信使才能完成这个任务。

警告:如果你要吸收或放出一个载力粒子,你最好被载力粒子所携带的力影响。违者将以破坏真理的罪名被起诉!

电磁现象

电磁力会导致同电荷相斥和异电荷相吸。很多生活中的力,比如摩擦力、甚至是磁力都是由电磁力造成的。你要深刻的记住,如果没有电磁力的作用,你就会落下穿过你自家的地板!多亏了电磁力,它使得由原子组成的物质包括你的脚和地板相互抵抗以免被转移。

我们已经知道,电磁力的载力粒子是光子。不同能量的光组成了电磁光谱,包括X光、可见光、无线电波等等。

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这里我们要记住一点,光子并没有质量,而且总是以“光速”行进。真空中的光速大约每秒3亿米的速度前进着。

残留电磁力

原子内通常有同等数目的质子和电子,因为带正电的质子和带负电的电子想消,所以它们是电中性的。既然它们是电中性的,那时什么力量使它们粘在一起而形成稳定的分子呢?

答案听起来或许有点奇怪:物理学家发现一个原子的部分电荷,能和另一个原子的部分电荷相互作用,导致不同原子的结合。这种作用力被称为残留电磁力。

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所以电磁力允许原子相结合形成分子,允许世界保持在一起而不分崩离析,并一直产生与你相互作用的物质。是不是很惊讶?世界的构造之所以存在只是因为电子和质子有相反的电荷!

这就是生命的意义的终极答案!

那么原子核呢?

回顾一下之前说的,原子是由原子核和电子组成的。原子核包括质子和中子,它们都是由夸克组成的。质子带电,而中子是电中性的,而带正电的质子会彼此排斥。那么问题又来了!是什么使得原子核结合在一起而不会散开来呢?

刚才我们说过了,原子只所以能够结合在一起是因为剩余的电磁力使带负电的电子和带正电的质子相互作用。那如果电磁力统治着原子,原子核内都带正电的质子理应要互相排斥而不能稳定存在。除非!除了电磁力,在原子内还有其他力的存在。难道是万有引力?肯定不是,因为简单的计算就能只能引力小到根本无法跟电磁力相抵抗。

物理学家好像面临了一个窘迫的局面。

强相互作用力登场!

为了理解在原子核内发生了什么事,我们必须了解更多组成质子和中子的夸克的性质。夸克带有电荷,它们也有完全不同种的电荷叫色荷。在色荷之间的力很强,所以这个力被创造性的命名为:强相互作用(下面简称强核力)。

强核力把夸克抓在一汽形成强子,所以它的携带粒子很怪异的叫做“胶子”,因为它们紧密地将夸克“粘”在一起。物理学家起名字有时候还真的是简单粗暴呢!

色荷和电荷的行为并不同,胶子自己就是色荷,它很怪异,而且不像光子一样没有电荷。且当夸克有色荷时,由夸克组成的复合粒子没有净色荷(它们是色中性的)。由于这个原因,强核力只发生在非常小的距离内,这就是为何在日常生活中你并不会察觉到强核力存在的原因。

色荷

夸克和胶子都是色荷粒子。就像电磁力中,电荷粒子间靠着交换光子相互作用,在强核力中色荷粒子通过交换胶子传递信息。当两个夸克接近时,它们就交换胶子产生使夸克结合在一起且非常强的色力场。夸克离得越远,力场强度就越大。夸克通常和其他的夸克交换胶子时改变其色荷。

色荷是如何运作的呢?

一共又三种色荷以及和三种相应的反色荷(互补色)。每个夸克有三种色荷的其中一个,而每个发夸克有三种发色和中的一个。就想混合红光、绿光和蓝光产生白光,在重子中,结合红、绿和蓝色荷成为色中性,在反重子中,反红、反绿和反蓝也是色中性。

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胶子可以被看作是带有一个色荷和一个反色荷,因为它们在吸收和释放的过程中总是会改变颜色。由于共有九种可能的色彩和反色彩的组合,所以我们期望会有九种不同的胶子电荷,但是数学计算出来的只有八种组合。不幸地,目前对这个结果还没有直观的解释。

澄清:这边提到的“色荷”和可见颜色没有没有任何关系,它只是物理学家所发展出的数学系统,以解释所观察到在强子中的夸克而命名的。

夸克禁闭

一个事实:色荷粒子不会单独地被发现。基于这个理由,色荷粒子和其他夸克被限制在群体(轻子)之中,这样的组合是色中性的。

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强核力在标准模型中的发展反映出夸克只在重子(三夸克物质)和介子(夸克和反夸克物质)中结合的证据,对于四夸克物质则不然。现在我们知道只有重子(三个不同颜色)和介子(色彩和反色彩)是色中性的,不能结合成色中性状态的粒子是永远不会出现的。

色力场

夸克在强子中会不停的交换胶子,由于这个原因,物理学家讨论由胶子将一串夸克结合在一起所构成的色力场。如果在强子中的夸克之一被拉离它的邻居,更多的能量加到色力场,而导致某个瞬间,色力场更活跃且容易“啪的一声”产生新的夸克和反夸克对;同时能量必须是守恒的,因为色力场的能量会转变为新夸克的质量,而色力场就会“放松”成未拉紧时的状态。

记住:夸克不能单独地存在是因为当它们被拉离的时候,色力也同时不断地在增大。

释放胶子的夸克

好多东西要记住:色荷总是守恒的!

当夸克释放或吸收一个胶子时,夸克的颜色必须改变以维持色荷守恒。比如,假设一个红夸克变成了蓝夸克,且释放出了一个红/反蓝胶子,净色彩仍是红色。这是因为当释放出胶子的时候,蓝色的夸克会和反蓝色的胶子相互抵消。所以剩下的色彩仍然是红色的胶子。

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在强子中,夸克经常放出或吸收胶子,所以并没有办法观察到单独夸克的颜色。然而在强子中两个交换胶子的夸克的颜色会改变,以维持周遭系统处于色中性的状态。

残留强核力

现在我们知道强核力将夸克结合在一起是因为夸克有色荷。但是还不能解释是什么将原子核结合在一起,由于正电荷的质子以电磁力相互排斥而质子和中子都是色中性的。

那到底是什么将核结合在一起的呢???

简单的说,答案是它们并不是无缘无故的就被称作强核力。一个质子的夸克和另一个质子的夸克之间的强核力够强,远远大过电磁的排斥力。

弱相互作用

我们知道,标准模型中有六种夸克和六种轻子。但是,在宇宙中的所有稳定物质似乎都只是由最轻的两个夸克(上夸克和下夸克)和最轻的带电轻子(电子)和中微子所组成。

弱相互作用(简称弱力)主要发生在夸克和轻子衰变成较轻的夸克和轻子的过程中。当基本粒子衰变时,我们观察到粒子消失并且由至少两个不同的粒子所取代。虽然总质量和总能量是守恒的,但是原来粒子的一些质量转变成动能并导致经过衰变后的粒子质量总是小于原来粒子的质量。

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我们周遭的稳定物质都是由最小的夸克和轻子所组成的,因为它们不能进一步衰变。

当一个夸克或轻子改变形态(比如,一个μ子变成电子),这个过程叫做变味。所有的味会改变都是因为弱力

弱力的携带粒子是W和Z粒子,W粒子是带电的而Z粒子是电中性的。标准模型中电磁力和弱力被统一成弱电相互作用。

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弱电相互作用(弱电力)

物理学家长久以来一直相信弱力和电磁力有紧密的联系。最后它们发现在极短距离时(大概是10的负18次方米),弱力的强度才比得上电磁力的强度。如果距离增加到30倍时,弱力的强度是电磁力的万分之一倍。

物理学家推断,弱力和电磁力的强度基本相等,这是因为作用力的强度主要取决于带力者的质量以及作用力的距离。而由于W和Z粒子的质量很大,而光子是没有质量的,因此它们所观察的强度会有很大的差别。

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万有引力呢?

引力是很不可思议的,它明显是基本相互作用力之一,但标准模型不能解释它。这也是当今物理界令人头痛却想方设法回答的主要问题之一。

除此之外,引力的载力粒子还未被发现。但是,也许有一个理论预测并已存在的粒子在某一天会被发现,那就是引力子。

幸运的是,在大部分粒子物理情况下,引力和其它三个力比起来就显得微不足道,所以在计算理论和实验时能够忽略引力的存在,如此一来标准模型就不需要解释引力了。(额,好吧,理由有点牵强。)

总结

《什么是“基本”?》一文中,我们提出的从古至今人们一直努力思索的两个问题,现在已经有了答案。

我们的世界是由什么构成的?这个世界是由六种夸克和六种轻子构成,我们所看到的每个事物都是夸克和轻子的混合物。

是什么把粒子紧紧地束缚在一起?束缚粒子间的基本力一共有四种,且载力粒子和每个力都相关联。

下面的图总结了我们所讲过的一切,有一些细节以后也会再提到。

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