“洪荒之力”有多大？
——從相互作用角度認識宇宙世界

◇ 北京 程 帥 劉亞英

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“洪荒之力”有多大？
——從相互作用角度認識宇宙世界

◇ 北京 程 帥 劉亞英

伴隨著里約奧運會傅園慧的“我已經(jīng)用了洪荒之力了”,瞬間洪荒之力就刷爆了我們的眼球．然而洪荒之力到底有多大呢?古語有云“天地玄黃,宇宙洪荒”,換言之這洪荒之力就是足以毀滅世界的力量．今天我們就從相互作用力的角度一起來認識我們的宇宙世界．

圖1

電磁相互作用包括電力和磁力,具體指的是靜止電荷之間以及運動電荷之間的相互作用．19世紀法國物理學(xué)家?guī)靷愂紫劝l(fā)現(xiàn)了點電荷之間的相互作用規(guī)律．后經(jīng)麥克斯韋總結(jié)提出了描寫電磁作用的基本運動方程式——麥克斯韋方程．麥克斯韋方程把電與磁巧妙統(tǒng)一起來,定量描述了他們之間相互變化的規(guī)律,還揭示了光的電磁本質(zhì)——電磁波．宏觀物體之間的相互作用,除引力外,所有接觸力,例如壓力、摩擦力都是大量原子、分子之間電磁相互作用的宏觀表現(xiàn)．

弱相互作用的發(fā)現(xiàn)始于1898年法國物理學(xué)家貝克勒爾·居里夫婦發(fā)現(xiàn)β衰變．顧名思義弱相互作用十分微弱,通過這種作用衰變的過程壽命大致在億分之一秒的數(shù)量級,相比于典型的通過電磁作用衰變的過程要慢七八個量級,所以這種作用才命名為弱相互作用．

強相互作用是最強的相互作用,但卻是最后發(fā)現(xiàn)的,始于1913年盧瑟福實驗．它指出原子由原子核和電子組成,原子核非常小,其中質(zhì)子間的斥力必定很大,需要另有強相互作用才能使核穩(wěn)定,之后又發(fā)現(xiàn)原子核可以相互轉(zhuǎn)變．強相互作用不限于核子間的核力,凡強子(包括介子和重子)都參與強相互作用．微觀粒子如果通過強相互作用衰變,它的壽命的數(shù)量級比典型的通過電磁作用衰變過程快六七個數(shù)量級．由此我們看出強相互作用發(fā)生十分迅速,電磁作用較慢,弱作用更慢．三者壽命分別在10-20～<10-23、10-16～<10-20、10-10～<10-16s．

從理論上說,引力、電磁力的作用范圍是無限的,能在宏觀世界里顯示其作用,稱為長程力．弱相互作用和強相互作用是短程力,相互作用范圍在原子核尺度內(nèi)．強作用力只在10-15m范圍內(nèi)有顯著作用,弱作用力的作用范圍不超過10-16m．以自然單位表示4種相互作用的強度,他們的量級分別是:

強相互作用 1

電磁相互作用 10-2

弱相互作用 10-5

引力相互作用 10-39

4種相互作用就是以如此的強度保證了我們現(xiàn)實宇宙世界的穩(wěn)定與和諧．

一直以來,物理學(xué)家都有一種愿望:世界是統(tǒng)一的,各種相互作用也都有一個共同的起源．例如愛因斯坦、海森堡、泡利等,在晚年都致力于統(tǒng)一理論的研究．在許多物理學(xué)家的共同努力下嘗試建立弱、電、強3種相互作用的大統(tǒng)一理論．該理論認為當參與作用的粒子能量增強(距離減小)時,弱作用增強,強作用減弱,電磁相互作用緩慢變化．在極高的能量(1015GeV)或極小的距離(10-29m), 3種相互作用的強度趨于相等．當能量尺度進一步提高到1019GeV時,4種相互作用統(tǒng)一起來,稱為超對稱理論．同時還有近幾年興起的超弦理論等,當然這些理論還需要進一步研究和證實．

在追求自然界和諧統(tǒng)一的路上,可能還要經(jīng)歷很多困難與失敗,但每一次發(fā)現(xiàn)都在加深我們對世界的認識．

清華附中永豐學(xué)校)