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强相互作用是什么力(一口气搞懂强相互作用)

时间:2024-07-09 22:30:15

话说在自然界中,存在着四种作用力,分别是引力、强相互作用、弱相互作用,电磁相互作用。

引力其实我们都很熟悉,它可以使地球绕着太阳转。

而电磁相互作用也很常见,最直观的就是磁铁的磁力。实际上,电磁力远比我们现象中的要广泛,我们能看到东西是因为电磁力,摩擦力其实也是电磁力,支持力同样还是电磁力。应该这么说,日常我们所接触的,除了引力,剩下的都是电磁力

而平时我们很少接触的,实际上也和我们息息相关的,就是强相互作用和弱相互作用,它们存在于原子核及以下的世界,这也是为什么我们很少能够接触到它们的原因。

弱相互作用一般来说和衰变有关,常见的衰变就是一个中子发生衰变转化为一个质子、一个电子并放一些能量。这也被我们叫做β衰变,就是通过弱相互作用实现的

关于引力之前我们已经聊过了,电磁力和弱力我们之后再聊,这一期,我们先来聊一聊着四种作用中最强的强相互作用。

夸克

上个世纪,科学家通过对撞机一层一层剥开微观世界,直到他们开始轰击质子。科学家发现,质子是轰击不开的,但是轰击质子的过程中,会出现三个广角散射。这说明,质子内部应该存在这三个点状物。

我们后来就管这个叫做夸克

科学家一共发现了6种夸克,分别是上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、奇异夸克、粲夸克

在微观世界里,每种基本粒子都有自己自身固有的性质,就好像一个成年人的身高体重和性别一样。粒子的三种内禀属性分别是:质量电荷自旋。这里的自旋和地球自转是不同的。它具体指的叫做角动量实际上角动量并不能连续变化。只能取0、1/2、1、3/2等值。这就好比人就只有男和女两种性别可以选,不能有30%男,70%女这种说法。夸克的自旋量值是1/2

至于电荷量,不同的夸克的电荷量是不同的,上夸克、粲夸克和顶夸克是+2/3,下夸克、奇异夸克和底夸克是-1/3。

至于质量,根据爱因斯坦的质能等价E=mc^2,我们用“能量/c^2”来表述粒子的质量。6种夸克的质量如下表,这里的MeV其实就是能量单位

以上其实是一般的基本粒子具备的三种特征,而夸克其实还有一种特别的属性,叫做色荷。和自旋不指代具体的旋转,色荷其实也不代表色彩,只是为了识别,所用到的颜色分别是:红、绿、蓝。

由于六种夸克也被称为六味,并且每一味都有对应的反粒子,所以,如果简单概括夸克,就是:六味、三色、反粒成对

你看,关于夸克的理论一套一套的,但实际上,我们压根没有见过自由的夸克。无论加速器如何去做对撞实验都没办法获得。因此,有很多人吐槽粒子物理标准模型的相关理论叫做唯象理论

其实这或多或少带有贬义,但客观地说,根本不存在不是唯象理论的理论。毕竟,观测水平高低决定了能看到什么现象,这些太过哲学的探讨,其实已经偏离了科学研究的主体,所以,就不多聊了。

面对这样的局面,科学家也很无奈,他们管这个叫做夸克禁闭。说的就是夸克被关在了一个区域内的现象。

那这究竟是咋回事呢?

这其实和强相互作用有关,科学家一直试图解释这种现象。后来,他们找到了1954年由杨振宁和米尔斯发表的杨米尔斯理论。

这套理论实际上是杨振宁和米尔斯从麦克斯韦方程中获得的灵感,从对称性入手进行考虑,得出了杨米尔斯理论。而恰恰这个理论,可以解释为什么会存在“夸克禁闭”的现象。我们可以从熟悉引力说起,我们都知道,引力和距离的平方是成反比的。

两个物体之间的距离越大,引力就越小。由5位科学家通过对杨米尔斯理论进行推导就发现,杨米尔斯理论在解释强相互作用的机制时,可以得出一个和“引力”完全相反的结果,那就是随着距离的增大,强相互作用反而会增大。后来,这5位科学家都拿到了诺贝尔奖。

对于这种现象,其实物理学家格罗斯曾经提出这样的比喻:

强子(质子或者中子)内部的夸克,就好像小球之间拴了一条有弹性的高强度绳子,当小球靠得很近时,绳子是不受力的,小球可以自由移动,可是当小球之间的距离超过了绳子的长度,绳子就会拉住小球,你即使费再大的劲,也没办法把它拽得更远。

这里的绳子其实就是胶子,它是用来传递强相互作用的。

强相互作用的这种特点,也就导致了夸克只能被关在一定的区域内,说白了就是胶子把夸克束缚起来的。

另一种强相互作用

不过,这其实只是胶子传递的强相互作用只是强相互作用的其中一种,除了这种,还存在另外一种强相互作用,它是作用于原子核内部核子之间的,依靠的是介子来实现传递的。

这种强相互作用要比束缚夸克的强相互作用要小得多,而且还有一点不同,那就是这种强相互作用是随着距离的增大而快速减小的

因此,强相互作用有两种,一种是把夸克束缚在一起的,一种是把核子束缚在一起的。它们的作用范围要小于10^-15米。

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