微觀世界到底有多可怕（深層解讀強力和弱力）

2023-07-25 23:23:48 2

弱力和強力是產生在微觀領域的相互作用，作用效果在微觀層面才能觀察到。兩者都屬於短程力，屬亞原子粒子間的相互作用。

弱力是4種基本力中第三強的力，比電磁力要弱很多，強度約相當於電磁力的十億分之一。弱力的作用距離比強力短，作用範圍大約在10^-18米之內，是4種基本力中作用距離最短的力。

（四種基本力的強度及其作用範圍）

弱力只作用於夸克、電子、中微子等費米子，而對光子、膠子等玻色子不起作用。根據量子場論的解釋，費米子之間依靠交換W 、W-、Z三種玻色子來進行弱相互作用的傳遞。

那費米子與玻色子是什麼？

簡單來說，費米子為服從費米-狄拉克統計、自旋（在量子力學中，粒子的自旋是由粒子的內稟角動量引起的內稟運動，這與經典力學中的自轉概念並不一樣，大家了解一下就行了）為半奇數的一類粒子（例如夸克和電子的自旋都為1/2），它們遵守泡利不相容原理（即不能有兩個以上的粒子出現在相同的量子態中）；玻色子為服從玻色-愛因斯坦統計、自旋為整數的一類粒子（例如光子、膠子的自旋為1），雖不遵守泡利不相容原理，但在超低溫狀態時可發生玻色-愛因斯坦凝聚。自然界中的一切都是由費米子構建起來的，而玻色子則只負責傳遞相互作用。

（基本粒子中的費米子與玻色子）

弱力與原子的衰變有關。大家也許知道，自然界中存在許多放射性元素，比如鈾。像鈾這種不穩定的重元素，其原子核會自發的發生放射性衰變，不穩定的重元素會轉變為穩定的輕元素。

（鈾的衰變過程）

什麼是元素的放射性衰變？

放射性衰變是不穩定原子核自發地放出射線或粒子而轉變為另一種原子核的過程，整個過程中原子核會逐漸變小，主要包括α衰變（從原子核射出α粒子）、β衰變（從原子核射出正電子或負電子）和γ衰變（從原子核輻射出伽馬射線）等形式。一些元素的原子核會連續發生多次哀變，直至產生穩定原子核。放射性同位素的半衰期長短差異極大，短的不到一秒，長的可達上億年。半衰期愈短的同位素，放射性也就愈強。

強力是強子之間相互作用的一種力，後來科學家發現強子由更基礎的夸克組成。強力不僅名字上有個「強」，其本身的作用強度也是4種基本力中最強的，大約是電磁力的137倍。強力的作用範圍大約在10^-15米。

強力的產生與電磁力有點類似，帶有電荷的粒子存在電磁力，而夸克帶有色荷，強力就是帶有色荷的夸克之間所具有的相互作用，色禁閉現象也正是產生於此。強力通過交換膠子（膠子也具有色荷）而傳遞相互作用。在低能量狀態下，介子（介子也是強子）也充當著強力的媒介粒子。

（膠子在夸克間傳遞強力）

與弱力相似，強力也會引起粒子衰變（粒子衰變是一個基本粒子轉變為其它基本粒子的自發過程，與放射性衰變不同）。強衰變粒子的平均壽命極短，在10^-20～10^-24秒左右，這類粒子我們將其稱之為共振態粒子，它們也是由夸克構成的。通過粒子碰撞試驗，科學家們發現了許多共振態粒子。

（中子衰變為質子的費曼圖）

上過初中的都知道，原子核中的質子帶一個單位正電荷，同性相斥的道理大家也都懂，質子和中子正是在強力的作用下克服庫侖斥力而強行粘合在一起的，核反應與核能都與強相互作用息息相關。

好了，有關4種基本力的介紹就到此為止。科學家們一直希望能夠建立大統一理論，在統一的框架下，描述這4種基本力。麥克斯韋統一了電力與磁力，更進一步，電磁力和弱力也得到了統一，並且電弱統一理論得到了非常嚴格的實驗檢驗。目前強力還沒有很好的融入，引力更是一塊難啃的骨頭。