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弱力,四種基本力中第二弱的、作用距離第一短的一種力。它只作用於自旋為1/2的物質粒子,並制約著放射性現象。而對諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。

1背景

宇宙中已知的四種基本力包括:引力,電磁力,強力,弱力。四種基本力參數以一種微妙的平衡構成了如今已知的宇宙環境,這些參數甚至可以精確到小數點后無數位,其中任何一項參數的改變都會令整個宇宙發生徹底的變化,其中一項力的改變可以令宇宙崩潰也不是不可能的。當然這四種基本力的微妙平衡是巧合還是必然還不是現階段的技術水平所能獲知的。

2基本信息

神秘的射線
1895年,德國的一位物理學家威廉·康拉德·倫琴發現置於真空放電管附近的密封底片,雖然沒有暴露在光線下,但卻變成了灰色。倫琴斷定,放電管內一定存在著能穿透底片的「光線」。他抓住這一現象追蹤下去,並將塗有鉑氰酸鉀磷光質的屏幕,置於放光管附近,屏幕閃閃發光。他又將金屬厚片置於放電管和磷光屏中間,屏幕後便出現了金屬的陰影。倘使再換上輕質的薄鉛片或木片,屏幕幾乎看不到這種陰影。當用這種射線來觀察人體時,更為神奇的現象發生了:人體在屏幕後除剩下骷髏般的骨骼外,其它的一切都不見了!
無獨有偶,繼神秘的X射線發現之後,1896年,法國的亨利·貝克勒爾,想起了有一種天然鈾鹽礦石,經太陽曝晒之後,在暗室中觀察,礦石會發出一種淺綠色的熒光。他為了考察新發現的X射線,將一塊天然鈾鹽礦石放在一張用黑紙包起來的照相底片上,打算放在太陽下曝晒,看底片是否也會像X射線那樣感光。十分不巧,天氣陰雨,貝克勒爾只得把底片連同礦石一起鎖在不見光的抽屜里,並無意地在底片上放了一把鑰匙,許多天過去了,貝克勒爾靈機一動,不妨把這張底片也衝出來看看。又一樁神奇的現象出現了:底片早已感光了,還呈現出一把鑰匙的清晰陰影。進一步考察表明,這種射線是一種新的、穿透力也很強的射線。
1900年,居里夫婦開始有系統地從元素、化合物、天然礦物中尋找這種效應。他們從瀝青鈾礦和其它幾種含鈾礦物中,發現了比鈉鹽更為活躍的元素。居里夫人和貝蒙特合作,從瀝青鈾礦中製取了放射性元素鐳。另幾位學者還發現了釙和錒。
費米的弱力理論
從上世紀末開始,人們的視野穿透到了另一個天地——微觀世界。人們弄清了原子是由很小的原子核和繞核旋轉的電子所組成。隨後,人們又弄清了原子核是由帶正電的質子和不帶電的中子構成的。還搞清了它們之間的一些變化關係:中子發射一個電子就變成質子;質子又可發射一個正電子變成中子。表面看來,人們已弄清了一些新奇的、微觀粒子的「換身術」。
中子→質子+電子
質子→中子+正電子
天然的β衰變,正是原子核內的中子放出電子,衰變成一個質子的現象。當人們想進一步弄清β衰變時,物理學竟在微觀領域遇上了一場生死存亡的挑戰。按照物理學中最重要的能量守恆定律,β衰變過程中,原子核內部中子衰變成質子而失去的能量,應該等於它所放出的電子帶走的能量。然而,實驗結果表明,電子所帶走的能量,總比原子核應該放出的能量少得多。直接觀測的β衰變過程表明,電子具有從零到某一上限的不同動能。這說明原子核所失去的能量並不恆等,有多有少。物理學家們為此提出了種種假設,但都無法解釋這樁怪事。
正在這個緊要關頭,在玻爾領導的哥本哈根理論物理研究所里,有位大膽的青年物理學家泡利,於1933年提出了一個嶄新的理論:在微觀世界,確實存在著一個「竊能賊」,把原子核內釋放的一部分能量偷走了。泡利假設:它可能不帶電,質量也非常小,同周圍的相互作用力很弱,所以就不知不覺地從測量儀器下溜走了。
恩里科·費米緊緊抓住泡利關於「中微子」的假設,繼續向縱深思索:如果中微子真的存在,那麼,在原子核里出現的β放射性行為,就可以解釋為這樣一個道理:原子核中的中子在衰變成質子的過程中,不僅是放出一個電子,同時還放出一個中微子。這就是說,前面所講的那種「換身術」不對,正確的方法應是:
中子→質子+電子+中微子
究竟是一種什麼力促使這種變化呢?仔細分析,電磁力不可能產生這個過程,因為電磁力的傳遞者是光子,而在這種衰變中沒有光子參加。費米作了一個大膽的嘗試,他假定:從質子到中子的衰變過程,是由於自然界中某種新的力引起的。經過一番琢磨,費米得出了幾個新穎奇特的結論:
1.這個力要比電磁力弱10的11次方倍,但比萬有引力要強得多;
2.這個力只能發生在四個自旋為二分之一的基本粒子之間;
3.這個力的作用力程非常短,幾乎為零,即參與相互作用的粒子彼此一離開,力就迅速地消失了。
弱力沒有本領把任何粒子束縛在一個較複雜的體系中,它只存在於一些粒子發生衰變和浮獲的一瞬間,粒子之間一離開,弱力馬上就消失。
人們認為自然界果真是存在著一種新的自然力——弱力。費米也因創立了弱力理論而聞名天下,他的理論得到了舉世公認。
宇稱不守恆定律
說起K介子之奇異,還有它另一段很不平凡的經歷。1955年前後,圍繞著奇異的K介子,物理學上發生了一樁大疑案,當時物理學家發現有兩種K介子:一種衰變成兩個π介子;一種衰變成三個π介子。為了區別它們,便將前者命名為θ介子,後者命名為τ介子。θ和τ介子除了衰變的差別之外,其它性質幾乎一模一樣。假如認為θ介子和τ介子是同一種粒子,只不過具有兩種衰變方式,那麼,就要動搖現代微觀物理學中一條神聖的基本定律——宇稱守恆定律。
宇稱守恆定律是關於微觀粒子體系的運動或變化的、具有左右對稱性的定律。微觀粒子體系在發生某種變化過程時,如核反應、基本粒子的產生和衰變等,其變化前的總宇稱(其值為+1或-1)必須等於變化后的總宇稱。其物理意義是:粒子體系和它的「鏡像粒子」體系都遵從同樣的運動變化規律。這條定律後來被李政道和楊振寧所打破,證實基本粒子的弱相互作用中,宇稱並不守恆。
傳播弱力的傳播子
粒子的自旋是粒子固有的角動量,是其內稟的屬性,每種粒子都有其固定的大小不會改變。在數值上,粒子的自旋角動量S=[s(s+1)]^(1/2)h'(其中s是自旋量子數,電子質子中子的s=1/2,光子的s=1,介子的s=0;h'=h/(2π)≈1.05*10^-34(J.s),h是普朗克常數)。s是整數還是半整數對粒子的統計性影響很大,著名的泡利不相容原理本質上就是s為半整數的粒子遵循費米-狄拉克統計。
自旋為1,就是象光子那樣指其自旋量子數s=1,相應的其實際角動量S=√2 h'。自旋可以粗略地理解為自己旋轉,但嚴格來說這是不對的,因為微觀粒子是被認為是點粒子的,一個點怎麼旋轉?注意,這裡說的粒子都是指基本粒子——沒有內部結構的點粒子。像原子、分子這樣的複合粒子還是一個模糊的形狀的。
傳播弱力的傳播子有W+、W-、Z這三種矢量玻色子。所謂矢量就是指其自旋為1,跟光子一樣;所謂玻色子也是指其自旋是整數。
粒子自旋通常都會使它帶有磁矩,這樣它就像一塊小磁鐵,在有梯度的磁場中它就會受力偏轉(打到接收屏上后一般都明顯地分為上下兩條曲線,不是連續的一片)。這應該屬於間接測自旋吧。自旋不僅在大小上是固定不變的,它在空間的任意方向上的投影的大小也只能取兩個固定的數值——±sh'。這兩點都與宏觀物體的旋轉大不相同,後者的角動量不論是總的大小還是它在某方向上投影的大小都是連續可變的,而粒子則是固定的或量子化的。由於粒子沒有「形狀」和「大小」,其「自轉線速度」和「自轉角速度」都是沒有意義的。
粒子的自旋是除了它的三維外部空間的自由度以外的內部空間的第四個自由度,這個自由度上只有±sh'這兩個分立的取值。不像空間坐標那樣可以連續取值。最初是實驗逼得人們認識到這一點的,後來狄拉克構建了著名的狄拉克方程,這是一個關於自由帶電粒子的滿足狹義相對論要求——在洛侖茲變換下不變的波動方程,它自動給出了電子的自旋及其分量的分立取值。
量子力學給出的諸多結論連同量子力學本身都是匪夷所思的。玻爾曾說:「如果誰沒被量子力學搞得頭暈,那他就一定是不理解量子力學。」愛因斯坦說:「我思考量子力學的時間百倍於廣義相對論,但依然不明白。」費曼說:「我們知道它如何計算,但不知道它為何要這樣去計算,但只有這樣去計算才能得出既有趣又有意義的結果。」(原話可能有出入,大意如此)

弱力與強力

一、強力原子核由帶正電的質子和中子組成,它們聚集在約10^15m的範圍內,為什麼質子正電荷之間的庫侖排斥力沒有使核子飛散開來呢?那是因為核子之間存在一種能壓服庫侖斥力的強相互作用力――強力或核力。在原子核的尺度內強力比庫侖力大得多,但強力是短程力,核子間的距離大於2×10^(-15)m時,強力很快下降消失,核子間的距離在(1-2)×10^(-15)m之間,核力表現為吸引力,小於1×10^(-15)m又表現為斥力,且隨距離的減小斥力迅速增大。強力對維持穩定的原子核有重大的作用。二、弱力在基本粒子之間還存在另一種短程相互作用力,弱力的作用距離比強力更短,作用力的強度僅力強力的10^(-13)倍。弱力在β衰變中起重要作用,β衰變中放出電子和中微子,電子和中微子之間只有弱力作用。弱力也存在其它基本粒子之間。
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