標籤:統一理論

基本力即自然界的4種基本力 萬有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力。

基本力

1簡介

長期以來,人們有一種樸素的願望,世界是統一的,各種基本相互作用應該有統一的起源。許多著名物理學家,例如愛因斯坦、海森堡、泡里(Pauli)等,在晚年致力於統一理論的研究,但是沒有取得成功。
麥克斯韋方程統一了電和磁兩種相互作用,溫伯格(1967年)和薩拉姆(1968年)在格拉肖早期工作的基礎上,成功地建立了一個優美的理論,把電磁力和弱相互作用力看做是一個單一的力——電弱力——的不同表現形式,從而把它們統一起來。這模型的成功加深了人類對弱作用和電磁作用本質的認識,也推動人們在規範理論基礎上,把各種相互作用力統一起來的努力。 20世紀的物理學有兩次大的革命:一次是狹義相對論和廣義相對論,它幾乎是愛因斯坦一人完成的;另一次是量子理論的建立。經過人們的努力,量子理論與狹義相對論成功地結合成量子場論,這是迄今為止最為成功的理論。
基本力

  基本力

廣義相對論也有長足的發展,在小至太陽系,大至整個宇宙範圍里,實驗觀測與理論很好地符合。但在極端條件下,引出了時空奇異,顯示了理論自身的不完善。就我們現在的認識水平,量子場論和廣義相對論是相互不自洽的,因此量子場論和廣義相對論應該在一個更大的理論框架里統一起來。
現在已經知道,自然界中總共4種相互作用力除有引力之外的3種都可有量子理論來描述,電磁、弱和強相互作用力的形成是用假設相互交換量子來解釋的。但是,引力的形成完全是另一回事,愛因斯坦的廣義相對論是用物質影響空間的幾何性質來解釋引力的。在這一圖像中,瀰漫在空間中的物質使空間彎曲了,而彎曲的空間決定粒子的運動。人們也可以模仿解釋電磁力的方法來解釋引力,這時物質交換的量子稱為引力子,但這一嘗試卻遇到了理論上的很多困難。
大統一理論-五種超弦的結構圖

  大統一理論-五種超弦的結構圖

上個世紀後半葉以來,不少科學家提出了各種大統一理論,希望將四種力用一種理論統一起來,但都遇到這樣那樣的困難,其中只有弱力和電磁力的統一(稱之為電弱力)較為滿意。用規範理論統一四種基本相互作用是一種誘人的因素,但是在前進道路上也有可能會遭到失敗。也許人們還會尋找新的途徑去統一各種基本的相互作用。通過一系列探索、失敗、成功,再失敗,再成功,不斷發現矛盾,解決矛盾,每一次循環都在加深著人類對自然界的認識。
基本力的相對強度:
若萬有引力為1
則弱力為10^25
電磁力為10^36
強力為10^38
五種超弦統一:四大作用力結構表

一.引力
二.強力三.弱力

四.電磁力

11維超重(引)力
大霹靂引力奇點
--
-+
-+
++
10維大統一力
GUT五種超弦
-+++
+++-
---+
+---
-+-+
+++-
-+-+
+---
強作用力
ⅡB型弦
(含Ⅰ型閉弦)
ⅡA型弦
(含Ⅰ型閉弦)
-+++
+++-
---+
+---


弱作用力
O型雜弦
E型雜弦
(含Ⅰ型開弦)
-+-+
+++-
-+-+
+---
陽電磁力
O型雜弦
陰電磁力
E型雜弦
-+-+
+++-
-+-+
---+
分化方向®
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2事例介紹

閱讀後面內容前,希望讀者能注意到一點,理論再好,沒有設計完善的實驗和相關的證明,都不能作為定理,而只能是猜想。
引用一個事例:
「1915年11月25日,愛因斯坦把題為「萬有引力方程」的論文提交給了柏林的普魯士科學院,完整地論述了廣義相對論。在這篇文章中他不僅解釋了天文觀測中發現的水星軌道近日點移動之謎,而且還預言:星光經過太陽會發生偏折,偏折角度相當於牛頓理論所預言的數值的兩倍。第一次世界大戰延誤了對這個數值的測定。1919年5月25日的日全食給人們提供了大戰後的第一次觀測機會。英國人愛丁頓奔赴非洲西海岸的普林西比島,進行了這一觀測。11月6日,湯姆遜在英國皇家學會和皇家天文學會聯席會議上鄭重宣布:得到證實的是愛因斯坦而不是牛頓所預言的結果。」
如果沒有這個預言成功的實驗,相對論獲得承認的時間會推遲。
因此請注意,以下內容是部分人的猜測。將來的科學研究可能證明以下猜測是正確的,但是現在還都是不可證實的。另外,猜測提出人也沒有說明什麼樣的可行的實驗可以證明自己的猜測。

3現狀與發展

1980年代曾有人宣稱發現了『第五種力』,並一度把它解釋為引力在數十米作用範圍內的可能變種 (實為『反引力』)。但仔細的實驗證明,歸因於第五種力的所有效應,在扣除了實驗地區地質層密度的變化后,實際上都能用引力來解釋。沒有證據表明宇宙中還存在四種已知力之外的任何其他力,粒子物理學家的主要目標之一就是用一攬子數學模式解釋全部四種力的作用方式(見大統一理論)。
四種力相對強度的差別極為懸殊。如以強力的強度為1單位,則電磁力的強度(正好是強力強度的百分之一),弱力的強度(強力強度的百萬分之一),而引力的強度只。這意味著,比如,兩個電子之間的電磁斥力比同樣兩個電子之間的引力倍。引力的微弱如此驚人,致使它在粒子對或幾個粒子之間的相互作用中實際上不起任何作用。 但在四種力中人們最先加以科學研究的卻是引力,而且(艾薩克·牛頓)建立了圓滿的數學理論來描述它。這是由於引力具有可加性——物質團塊中含有的粒子越多,該團塊的引力越強。而且引力的作用程非常長,強度的減弱僅僅與到物質團塊距離的平方成反比(平方反比律)。太陽的引力很大,因為它含有極大量粒子,而它那極長的作用程能將行星維持在它們的軌道上。
確實,正是電磁力和引力在大小上的差異才使恆星能夠那樣大。在太陽這類恆星的內部,核子之間的電力總是力圖把它們分開,因為所有核子帶正電荷,而同性電荷互相排斥。同樣,原子外部的電子全都帶負電荷,如果你試圖把兩個原子推到一起,它們總是被它們電子云之間的斥力分開。雖然電磁力也遵守平方反比律,而且原則上作用程也很長,但每個原子的凈電荷卻等於零,因為電子云的負電荷正好與核的正電荷相互抵消(電子因量子效應而不會落到核中;見量子理論)。所以,即使你把大量原子放到一起,總電荷仍為零,而引力則因原子數量的增多而變大。
一個物質團塊一旦擁有大個原子,團塊中心的原子受到的引力(它上面的全部原子的重量)將強大到使個別原子核擠到一起,使原子核互相接觸,而維持恆星內部高溫的核聚變過程得以開始。所以,簡單地比較電磁力和引力的強度,就能夠預報所有恆星必定含有至個原子核。但情形並非完全如此,因個原子不是集中在一個點,而是擴散到恆星的整個體積中。這對引力來說是個不利因素,它使引力的效率減小了1/3,因為物質團塊的體積正比於半徑的立方。因此,實際上,引力要能把原子壓到一起並引發核聚變,團塊應含有大約個原子,因為38是57的2/3。一個擁個氫原子核(記住這個數叫做海因茲湯參數)的物質團塊,確實正好是比太陽小一點點的恆星的大小,它的質量大約是太陽質量的85%。 由於量子效應,稍輕一些的恆星是可能存在的,但決不會輕於太陽質量的大約10%。需要這麼多質量是為了使恆星足夠重,能將兩個原子壓到一起,使一對核發生聚變——當然,一旦恆星有那麼重,它將把其深部的所有原子壓到一起並引起很多核聚變。
展示引力微弱程度的另一個例子是蘋果從樹上落下。蘋果的柄是通過原子和分子之間的電磁力維持成一體的,柄只含有很少的分子,卻要忍受地球的全部粒子作用在蘋果上、試圖扯斷它的柄並使蘋果落到地面的聯合引力。
另外兩種力,即強核力和弱核力(通常省略『核』字,直接稱之為強力和弱力),不遵守平方反比律,作用程很短,其影響僅及於一個原子核大小的範圍。強力直接作用在夸克之間,使它們結合成強子,包括原子核中的質子和中子(重子族的成員)。儘管質子之間的電磁斥力總想把原子核炸開,強力卻能從個別核子漏出而影響近旁粒子,從而將質子和中子保持在原子核內。
既然強力比電磁力大約強100倍,那麼我們期望當原子核含有100個以上質子時,電磁力將佔優勢而使原子核不穩定(在這種情況下,電磁力由於所有質子的電荷相等而可加,作用程很短的強力則不可加,而只在相鄰的核子之間起作用)。實際上,強子的處境因原子核中存在中子而稍稍輕鬆些,但最重的一些穩定原子核仍然含有正好超過200個核子,不過其中的質子都不到100個(甚至鈈原子核的質子也只有92個)。再說一遍,對兩種基本力之間平衡的簡單理解,解釋了本來可能成為自然界之謎的現象,即穩定元素數量是有限的。
強力的一個獨特性質是,在其作用範圍內,分開較遠的夸克具有較大的強力。一個核子中三個夸克只要彼此相距在大約米以內,就根本不會明顯感受到力的作用——它們似乎由與作用範圍大致同樣長的鬆緊帶連接著。但是,當某個夸克試圖運動到離它的同伴超米,『鬆緊帶』就開始繃緊,把它拉回到原地。它試圖運動得越遠,繃緊得越厲害,拉它回來的力也越大。夸克要逃離核子,僅當注入極大能量(可能通過與其他粒子碰撞),將鬆緊帶扯斷,在斷裂處的兩邊各產生一個由純能量轉換而來的新夸克 (見狹義相對論),才有可能。
逃離的夸克將與一個新夸克結合,形成一個叫做介子的束縛對,而第二個新夸克則佔據它在核子中的地位。
弱力的行為更加不像通常意義下的力,而是引起β衰變過程的一種相互作用。弱力的作用發生在輕子之間和產生輕子的強子衰變過程中。但弱相互作用和電磁相互作用兩者能用叫做弱電理論的同一個數學描述統一起來。這個理論把這兩種力描繪成單一力的不同方面;將不同力的數目減少到三種是粒子物理學家的重大成功之一,它(大概)也是建立一個將強力與弱電力統一起來的更完整數學模式的辦法。
在經典力學中,粒子之間的力用場方程式描述,並想像一個粒子周圍存在對其他粒子施加力的『力場』。在量子理論中,力(或相互作用)由粒子攜帶(或傳達)。電磁相互作用由光子傳達而在帶電粒子間交換;弱相互作用由叫做中介矢量玻色子的粒子傳達而在輕子間(有些情況下在一個輕子和一個強子之間)交換;強相互作用由膠子傳達;引力由引力子傳達。有直接證據表明,除引力子外,所有這些力的載體都存在;而且幾乎肯定(弦理論也預言了的)引力子確實存在,但引力的極度微弱使得對它們在粒子間交換方式的探測成為不可能。
我們已經知道,引力是一種與時空基本結構緊密關聯的普適力,應該視其為基本力。換句話說,我們應該用引力來度量其他東西,而不是用其他東西來度量引力。因此,在絕對意義上來說,引力不是微弱的——它本來就是這樣子的。事實上,引力顯得如此之微弱一直讓理論物理學界感到困惑。
超弦理論目前已經可以對四種基本力中的強力、弱力和電性力的統一性加以解釋,但尚未能證明引力也能被包括進來。但是科學家們對於在宏觀尺度上發生重大作用的萬有引力,通過對恆星坍縮后所形成的宇宙黑洞的探索和研究,發現宇宙黑洞具有吞噬一切的能力,而這種力,恰恰是坍縮后的星體內部粒子間的其他三種失效后所表現出來的強大的引力作用的結果。
1928年,錢德拉塞卡從印度來到英國劍橋跟英國天文學家阿瑟·愛丁頓爵士學習。在跟隨愛丁頓爵士對宇宙的研究中,錢德拉意識到,不相容原理所能提供的排斥力有一個極限。這意味著,恆星變得足夠緊緻之時,由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小。錢德拉計算出;一個大約為太陽質量一倍半的冷的恆星不能支持自身以抵抗自己的引力,這一質量被稱之為錢德拉極限。
這對大質量恆星的最終歸宿具有重大的意義。如果一顆恆星的質量比錢德拉塞卡極限小,它最後會停止收縮並終於變成一顆半徑為幾千英里和密度為每立方英寸幾百噸的「白矮星」。白矮星是它物質中電子之間的不相容原理排斥力所支持的。這些恆星是由中子和質子之間,而不是電子之間的不相容原理排斥力所支持。所以它們被叫做中子星。它們的半徑只有10英里左右,密度為每立方英寸幾億噸。
錢德拉指出,不相容原理不能夠阻止質量大於錢德拉塞卡極限的恆星發生坍縮。在恆星引力坍縮形成黑洞時,運動會快得多,這樣能量被帶走的速率就高得多,所以不用太長的時間就會達到不變的狀態。隨著這區域繼續坍縮,只要在幾個鐘頭之內,作用到站在坍縮中的恆星表面的人頭上和腳上的引力之差會變得如此之大,以至於再將其撕裂。
在恆星坍縮成黑洞后,粒子之間的作用力包括強相互作用、弱相互作用及電磁作用都不再有效。而原本微弱到幾乎可以忽略不計的引力此時變得非常巨大。一切物體都會被黑洞的巨大的引力所拉近吞噬,甚至連光線都無法逃逸出去。
為什麼在坍縮的恆星內部及其附近,使原子核和電子結合為原子的電性力、使質子和中子結合構成原子核的弱相互作用力、使夸克組合成質子的強相互作用都不再有效?
錢德拉的開創性工作以及霍金的深入研究表明,坍縮的恆星內部密度增加變成宇宙黑洞后,星體對外部物體的引力增大。雖然我們尚不清楚被黑洞吞噬的光是否在這種情形下已經具有了質量,但宇宙黑洞能夠吞噬一切物體的特性卻讓科學家感到迷惑:是不是宇宙萬物統一於能量?由此,科學家提出了有關大一統的一種猜測:即,能量賦予物體內在的和外在的運動能力,四種基本力是同源的,萬有引力只是物體表現出來的其所蘊含的其他三種基本力的餘力。否則,為何當恆星坍縮后,星體內部粒子之間的作用力失效后,引力便會變得無限大?

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