自然界中的四種基本相互作用

1、自然界中四種基本相互作用的研究學(xué)院物理工程學(xué)院 專業(yè)物理學(xué) 學(xué)號(hào) 11111111111111 姓名 xxxxxxxxx目錄摘要1.關(guān)鍵詞 1.引言1.1 粒子理論下的 4 種基本相互作用 1.1.1 兩種長程力 引力和電磁力 1.1.2 兩種短程力 弱核力和強(qiáng)核力 2.2 統(tǒng)一理論的思想基礎(chǔ) 2.3 粒子理論下的統(tǒng)一 2.4 愛因斯坦對統(tǒng)一理論的構(gòu)思 3.4.4.展望 參考文獻(xiàn)自然界中四種基本相互作用的研究摘要： 人們發(fā)現(xiàn)微觀粒子之間僅存在四種相互作用力，它們是萬有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力。宇宙間所有現(xiàn)象都可以用這四種作用力來解釋。進(jìn)一步研究四種作用力之間聯(lián)系與統(tǒng)一，尋找能統(tǒng)

2、一說明四種4相互作用力的理論大統(tǒng)一理論。本文從兩種不同的角度 識(shí)自然規(guī)律的統(tǒng)一性。關(guān)鍵詞 ： 大統(tǒng)一理論 ;自然力 ;物質(zhì)粒子 ;傳遞力拉子 引言： 早在 20 世紀(jì) 20 年代，著名物理學(xué)家愛因斯 坦就致力于尋找一種統(tǒng)一的理論來解釋所有相互作用， 也可以說是解釋一切物理現(xiàn)象，因?yàn)樗J(rèn)為自然科學(xué)中 “統(tǒng)一”的概念或許是一個(gè)最基本的法則。甚至可說在愛 因斯坦的哲學(xué)中， “統(tǒng)一”的概念根深蒂固， 他深信 “自然 界應(yīng)當(dāng)滿足簡單性原則 ”。從 30 年代提出相對論后不久，愛因斯坦就著手研 究 “大統(tǒng)一理論 ”，試圖通過 “弱作用，磁場，強(qiáng)作用 ”的 統(tǒng)一思維來簡單的解釋宇宙，進(jìn)一步將當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的四

3、種相互作用統(tǒng)一到一個(gè)理論框架下，從而找到這四種相 互作用產(chǎn)生的根源。這一工作一直到他 1955 年逝世為 止，并幾乎耗盡了他后半生的精力，而且統(tǒng)一思維與當(dāng) 時(shí)物理學(xué)界的主流思想不符，以致于一些科學(xué)史學(xué)家斷 言這是愛因斯坦的一大失誤。17 世紀(jì) ,牛頓在研究宇宙行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí) ,把行星繞 太陽、 月球繞地球、 太陽系繞銀河的運(yùn)動(dòng) ,以及地球?qū)ζ?上面物體間的吸引統(tǒng)稱為一種力的作用,稱為萬有引力 ,并得到萬有引力定律。 正是由于這種力的作用 ,使得宇宙 間各天體組成了和諧的大家庭。19 世紀(jì)下半葉 ,麥克斯韋成功地把電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象 統(tǒng)一起來 ,指出了電力和磁力是本質(zhì)上相同的力,并得到了著名的麥克斯

4、韋方程組 ,證明了光就是二者統(tǒng)一的一 種表現(xiàn)形式。眾所周知 ,宇宙中的一切物質(zhì)都在做變速運(yùn)動(dòng),無論 粒子理論和場理論 ,淺析對大統(tǒng)一理論的認(rèn)識(shí) ,進(jìn)而認(rèn);四種基本力這種變速運(yùn)動(dòng)是什么樣的形式 ,都與力密切相關(guān)。 因?yàn)橹?配物質(zhì)行為的就是力。 因此 ,要想最大限度地統(tǒng)一自然規(guī) 律的描述 ,就必須把各種形式的力統(tǒng)一為一種力在各種 不同條件下的表現(xiàn)。經(jīng)過物理學(xué)家們近 100 年的艱苦努 力,包括理論上的探究、實(shí)驗(yàn)上的摸索和驗(yàn)證,在 20 世紀(jì)中后期已將自然界各種不同的相互作用力統(tǒng)一為 4 種自 然力:引力、電磁力、 弱核力和強(qiáng)核力。 余下的工作就是 如何將這 4 種力進(jìn)一步統(tǒng)一。粒子理論的不斷發(fā)展和

5、愛 因斯坦晚年的大膽構(gòu)思為建立大統(tǒng)一打下了良好的基 礎(chǔ)。1 粒子理論下的 4 種基本相互作用 目前 ,人們從粒子論中已經(jīng)認(rèn)識(shí)到 ,一切能觀察到的 物質(zhì)是由 4 種基本粒子組成的 (并非最小粒子 ):2 種重子 , 即質(zhì)子 (p)和中子 (n);2 種輕子 ,即電子 (e)和中微子 ( 它), 們相互接近時(shí) ,其行為是由以上 4 種自然力支配著。 粒子論指出 ,組成物質(zhì)的基本粒子之間不會(huì)直接發(fā) 生力的作用 ,而是通過發(fā)射和吸收傳遞力粒子而產(chǎn)生通 常稱之為力的效應(yīng)的。物質(zhì)粒子發(fā)射出傳遞力粒子而產(chǎn) 生反彈 ,傳遞力粒子與加外物質(zhì)粒子碰撞而被吸收,這樣一發(fā)一收 ,即兩個(gè)物質(zhì)粒子由交換傳遞力而使其速度發(fā)

6、 生改變 ,如同它們之間產(chǎn)生了力的作用。1.1 兩種長程力 引力和電磁力當(dāng)物質(zhì)粒子發(fā)射的傳遞力粒子質(zhì)量為零時(shí),則在大距離上可以進(jìn)行交換 ,稱為長程力。引力 所有物質(zhì)粒子 （p,n,e, 都能）感受到這種力。它是由自旋為 2、質(zhì)量為零的引力子傳遞的。電磁力 只有帶電粒子 （P,e）之間才能發(fā)生這種力的作用 ,它是由于自旋為 1、質(zhì)量為零的虛光子 （與能級躍 遷發(fā)射出的實(shí)光子不盡相同 ）傳遞的。并且只有帶電的物 質(zhì)粒子才能發(fā)射和吸收這種傳遞力粒子。需要說明的是 :引力子和虛光子都是虛粒子 ,不能通 過實(shí)驗(yàn)的方法探測到它的存在 ,但確實(shí)產(chǎn)生了可以測量 的效應(yīng) ,即引力和電磁力的存在。1.2 兩種短程

7、力 弱核力和強(qiáng)核力 當(dāng)物質(zhì)粒子發(fā)射的傳遞力粒子具有一定的質(zhì)量時(shí) , 則不可能在大距離上產(chǎn)生交換效應(yīng) ,因此稱為短程力。 這 種力只有在原子核內(nèi)表現(xiàn)出來。弱核力 所有的物質(zhì)粒子 （P，n,e, 當(dāng)）,它們之間的距 離小于 10-18m 時(shí) ,可產(chǎn)生弱核力的作用 ,這種力制約著放 射性現(xiàn)象 ,它是由自旋為 1，具有 100Gev 的質(zhì)量的中間 玻色子傳遞的。強(qiáng)核力 在原子核內(nèi)依靠這種強(qiáng)大的吸引力束縛 在一起 ,這種力是由自旋為 1 的膠子來傳遞的。2 統(tǒng)一理論的思想基礎(chǔ) 近代宇宙學(xué)的七大觀點(diǎn)之一 宇宙大爆炸 觀點(diǎn)是統(tǒng)一 4 種相互作用力的重要理論基礎(chǔ)。 180 億年前某時(shí)刻發(fā)生了一場可怕的宇宙大爆

8、炸,根據(jù)相對論的觀點(diǎn) ,大爆炸瞬間 ,時(shí)間和空間同時(shí)誕 生了。但在大爆炸初的一段極短的時(shí)間內(nèi) （大約為 10-44s）,宇宙中沒有任何天體 ,沒有任何粒子 ,也沒 有任何輻射 ,只是單純而對稱的時(shí)空以指數(shù)方式 進(jìn)行急驟的膨脹。因此,在這段時(shí)間內(nèi)絕不可能存 在可以區(qū)分開的 4 種相互作用力 ,也許整個(gè)宇宙 就在一種作用下而膨脹著。 根據(jù)對稱原理 ,宇宙應(yīng) 是球形的 （愛因斯坦超圓體模型 ） 。因此時(shí)空是彎 曲的 ,到大爆炸后的 10-44s,由于時(shí)空的彎曲為巨大 引力作用的產(chǎn)生打下了基礎(chǔ) ,引力作用首先分劃 出來。美國物理學(xué)家狄拉克將廣義相對論 ,質(zhì)能方 程（ E mc2 ）和量子論結(jié)合起來 ,

9、并進(jìn)行了劃時(shí)代 的推導(dǎo) ,得出著名的狄拉克方程 ,預(yù)言了通過聚集 能量能創(chuàng)造出物質(zhì)粒子 ,從大爆炸時(shí)刻 （t=0） 到 10-36s,這時(shí)的宇宙要比現(xiàn)在小多了 ,難于想象的巨 大能量封閉在如此小的宇宙中 ,根據(jù)狄拉克的理 論,物質(zhì)粒子必然大量產(chǎn)生 ,強(qiáng)作用力分化出來。隨著宇宙的不斷膨脹 ,物質(zhì)粒子間的有效距離不斷 增大 , 帶電物質(zhì)粒子間的電磁作用力體現(xiàn)出來,到 10-10s后電磁作用分劃出來。至此自然界的 4 種自然相互作用產(chǎn)生了。既然 4 種相互作用力是在宇宙大爆炸后 ,宇宙逐漸 形成的最初過程中 ,在各不相同的條件下逐次分劃出來,因此 ,人們完全有理由認(rèn)為在某種特定的條件下,可將這4 種

10、自然力統(tǒng)一起來 ,建立大統(tǒng)一理論 ,用這個(gè)理論解釋 各種自然現(xiàn)象。3 粒子理論下的統(tǒng)一電 弱統(tǒng) 一的成 功 - 當(dāng) 玻 色子 的能量 遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過 100Gve 時(shí) ,其質(zhì)量趨于零 ,它的行為方式與光子非常相 似。但能量較低時(shí) ,玻色子具有較大的質(zhì)量 ,使其傳遞距 離為短程。這種理論可將電磁與弱核作用很好地統(tǒng)一起 來 ,稱之為電弱相互作用 ,并且這種理論已有了實(shí)驗(yàn)的基 礎(chǔ)。不完全的大統(tǒng)一嘗試 高能粒子加速器的實(shí)驗(yàn)證 明 :在巨大能量下強(qiáng)核力變得弱得多 ,而電磁力和弱核力 在高能下卻變強(qiáng)了。 由此物理學(xué)家預(yù)言 ,在非常高的稱之 為大統(tǒng)一能最下 ,有可能 3 種傳遞力粒子 ,即虛光子、中 間玻色子、

11、 膠子具有相同的行為和性質(zhì) ,而且不同的物質(zhì) 粒子也會(huì)基本上變成一樣 ,這樣就可以將這 3 種力統(tǒng)一 為一種力在不同的條件下的表現(xiàn)。在這里要著重指明兩點(diǎn) : 一是大統(tǒng)一能量的數(shù)值人 們還不十分清楚 ,更無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ;二是這種統(tǒng)一理 論并不包括無處不有無時(shí)不在的引力。因此這是一種不 完善的大統(tǒng)一理論。4 愛因斯坦對統(tǒng)一理論的構(gòu)思前面 ,筆者已經(jīng)將粒子理論下的大統(tǒng)一理論的構(gòu)思 和發(fā)展作了一下簡單介紹 ,在這種理論下無論如何不能 把引力作用包括進(jìn)去 ,著名物理學(xué)家愛因斯坦卻在這方 面作了大膽的設(shè)想 ,為大一理論的實(shí)現(xiàn)奠定了思想基礎(chǔ)。1905 年愛因斯坦天才地統(tǒng)一了時(shí)間和空間的概念 , 即在閡可

12、夫斯基四維時(shí)空中 ,時(shí)間和空間是密切相關(guān)的 統(tǒng)一體。幾年后 ,他將這統(tǒng)一的時(shí)空進(jìn)一步加以深化,提出了統(tǒng)一的時(shí)空是彎曲的 ,著名的愛因斯坦轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)及 1911 年日蝕時(shí)觀測到的恒星發(fā)射出的光線在太陽引力 場中的彎曲 ,有利地證明了彎曲時(shí)空的這個(gè)事實(shí)。因此,愛因斯坦指出 ,由于物質(zhì)的存在 ,使得空間一時(shí)間發(fā)生了 彎曲 ,自由粒子在這彎曲的時(shí)空中并不能做直線運(yùn)動(dòng),而是沿弧線運(yùn)動(dòng) ,即所謂沿短程線運(yùn)動(dòng) ,從而在宏觀上表現(xiàn) 為它受引力作用 （因?yàn)槿魏吻€運(yùn)動(dòng)均是變速運(yùn)動(dòng) , 要受 到力的作用 ） 。由此可以看出引力僅是時(shí)空彎曲的一種表 現(xiàn)。這樣 ,在物理界愛因斯坦首次將空間和時(shí)間的概念賦 予了動(dòng)力學(xué)的涵

13、義。由于在粒子理論中的大統(tǒng)一只包括強(qiáng)作用力、弱作 用力和電磁作用力 ,而不包括引力作用 ,如果一旦能把引 力作用和電磁作用統(tǒng)一起來就可打開這 4 種自然力內(nèi)在 統(tǒng)一的神秘大門。因此,愛因斯坦在他的晚年就致力于引力和 電磁力的統(tǒng)一工作 ,并把此項(xiàng)工作作為他的終生事業(yè)。愛因斯坦認(rèn)為 ,既然引力僅是空間一時(shí)間的某種幾 何性質(zhì)的表現(xiàn)形式 ,那么要想把牛頓引力和麥克斯韋電磁力統(tǒng)一起來 , 就必須證明麥克斯韋電磁力同樣也是空 間一時(shí)間的某種幾何性質(zhì)的表現(xiàn)形式,能否做到這點(diǎn)呢 ?筆者在這里提出自己的一些看法。引力和電磁力雖然從宏觀表現(xiàn)和微觀機(jī)制上不盡 相同 ,但也有非常相似的地方。 在此筆者做幾點(diǎn)簡單比較

14、其一 ,彼此具有電磁力作用的物質(zhì)粒子 ,我們說它帶有電 荷 ,正是由于這種粒子帶有電荷 ,它才能夠發(fā)射出或接收 虛光子而產(chǎn)生電磁力作用 ,而對所有的物質(zhì)粒子而言 ,我 們可以說它帶有引力荷 ,正是由于它們帶有引力荷 ,才能 發(fā)射或接收引力子而產(chǎn)生引力作用;二 ,電荷周圍要產(chǎn)生一種場稱之為電磁場 ,同樣 , 引力荷周圍也要產(chǎn)生一種場 稱之為引力場 ;其三 ,帶電粒子攜帶電荷作變速運(yùn)動(dòng)會(huì)激 發(fā)電磁波 ,愛因斯坦認(rèn)為物質(zhì)粒子攜帶引力荷作變速運(yùn) 動(dòng)也會(huì)激發(fā)出引力波 ,由于宇宙中所有的物質(zhì)粒子均做 變速運(yùn)動(dòng)故引力波充滿了整個(gè)宇宙,同樣引力場也充滿整個(gè)宇宙。 通過以上的幾項(xiàng)簡單比較 ,雖然至今人們還不 知

15、電荷和引力荷到底是一種什么東西 , 只能認(rèn)為是粒子 （ 包括帶電粒子和不帶電粒子 ） 宏觀表現(xiàn)的一種概念 ,但 通過這種表現(xiàn)也不難想像出 : 其一是電荷和引力荷能否 確實(shí)統(tǒng)一為某種共同的東西 ,（即使它不是一種微觀粒子 而只能附著在粒子上 ）。引力荷是物質(zhì)粒子普遍帶有的,是否在某種特殊的條件下使引力荷又附帶有電荷呢 ?其二是通過廣義相對 論可以得出引力荷 （ 引力荷的多少為質(zhì)量 ）與空間一時(shí)間 的曲率有著密切聯(lián)系，那么電荷 （電荷的多少為電量 ）是 否也能與空間一時(shí)間結(jié)構(gòu)的某種幾何性質(zhì)發(fā)生聯(lián)系呢， 如果這兩點(diǎn)想像經(jīng)過理論和實(shí)驗(yàn)的研究，答案是肯定的 話，那么就有可能把引力和電磁力統(tǒng)一起來，從而得

16、出 基本相互作用與空間一時(shí)間的幾何性質(zhì)的統(tǒng)一，使得真 正的大統(tǒng)一理論宣告成功，實(shí)現(xiàn)愛因斯坦的最終宿愿 : 時(shí)間、空間、物質(zhì)及它們之間的相互作用和物質(zhì)的各種 運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一到一個(gè)理論中去。最后要說明的是 :其一，電磁力到底與時(shí)空的什么幾 何性質(zhì)密切相關(guān) ?引力荷到底在什么條件下附帶有電荷 ? 還需要人們?nèi)ド钊说靥骄?;其二，大統(tǒng)一理論就像光的本 質(zhì)理論 波粒二象性一樣，一方面為粒子理論下的不完 全統(tǒng)一，一方面是廣義相對論下的時(shí)空幾何性質(zhì)的不完 全統(tǒng)一，二者相結(jié)合構(gòu)成全面的大統(tǒng)一理論。 展望： 沿著規(guī)范場的途徑人們已經(jīng)接近實(shí)現(xiàn)弱、電、 強(qiáng)三種相互作用的統(tǒng)一。我們自然希望引力相互作用也 能夠用規(guī)范場把它統(tǒng)

17、一進(jìn)來 ,實(shí)現(xiàn)四種相互作用的真正 大統(tǒng)一。在這個(gè)方向上物理學(xué)家們已經(jīng)做了很多的工 作。愛因斯坦在世的時(shí)候就已經(jīng)知道引力相互作用也是 一種規(guī)范場。問題在于還不知道引力相互作用怎樣與其 他相互作用發(fā)生聯(lián)系。引力場的量子化所遇到的不能重 正和破壞么正性的困難至今還沒有得到園滿地解決。因 此無法取得同其他三種相互作用一致的既是量子化的、 又是規(guī)范場的形式 ,這是實(shí)現(xiàn)全面大統(tǒng)一的主要障礙。 但 使我們高興的是 ,我國學(xué)者在廣州粒子物理討論會(huì)上所 提出的引力規(guī)范理論 ,為解決這個(gè)問題提供了可能 ,這是 一個(gè)好苗頭。實(shí)現(xiàn)四種相互作用全面大統(tǒng)一的另一類工作是超 對稱、超引力理論 ,這是近年來蘇聯(lián)、美國、 西歐很多學(xué)者所從事的課題 ,是規(guī)范場論的發(fā)展。 楊一來將對稱性從 坐標(biāo)對稱性推廣到同位旋等內(nèi)部對稱性。這些人又將內(nèi) 部對稱性推廣到費(fèi)米子和玻色子之間的對稱性,稱為超對稱性。 他們企圖當(dāng)進(jìn)行這種超對稱的局部變換時(shí),讓方程中所涉及的每一種對稱性 ,都引人一個(gè)規(guī)范場 ,從而將 所有的相互作用都包