自然界中的四种基本相互作用

1、自然界中四种基本相互作用的研究学院物理工程学院 专业物理学姓名目录摘要 . 1关键词 . 1引言 . 11粒子理论下的4种基本相互作用 . 11.1两种长程力引力和电磁力 . 11.2两种短程力弱核力和强核力 . 22统一理论的思想基础 . 23粒子理论下的统一 . 24爱因斯坦对统一理论的构思 . 3展望 . 4参考文献 . 4自然界中四种基本相互作用的研究摘要：人们发现微观粒子之间仅存在四种相互作用力，它们是万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释。进一步研究四种作用力之间联系与统一，寻找能统一说明四种相互作用力的理论大统一理论。本文从两种不同

2、的角度粒子理论和场理论,浅析对大统一理论的认识,进而认识自然规律的统一性。关键词：大统一理论;自然力;物质粒子;传递力拉子;四种基本力 引言：早在20世纪20年代，著名物理学家爱因斯坦就致力于寻找一种统一的理论来解释所有相互作用，也可以说是解释一切物理现象，因为他认为自然科学中“统一”的概念或许是一个最基本的法则。甚至可说在爱因斯坦的哲学中，“统一”的概念根深蒂固，他深信“自然界应当满足简单性原则”。从30年代提出相对论后不久，爱因斯坦就着手研究“大统一理论”，试图通过“弱作用，磁场，强作用”的统一思维来简单的解释宇宙，进一步将当时已发现的四种相互作用统一到一个理论框架下，从而找到这四种相互作

3、用产生的根源。这一工作一直到他1955年逝世为止，并几乎耗尽了他后半生的精力，而且统一思维与当时物理学界的主流思想不符，以致于一些科学史学家断言这是爱因斯坦的一大失误。17世纪,牛顿在研究宇宙行星运动规律时,把行星绕太阳、月球绕地球、太阳系绕银河的运动,以及地球对其上面物体间的吸引统称为一种力的作用,称为万有引力,并得到万有引力定律。正是由于这种力的作用,使得宇宙间各天体组成了和谐的大家庭。19世纪下半叶,麦克斯韦成功地把电现象和磁现象统一起来,指出了电力和磁力是本质上相同的力,并得到了著名的麦克斯韦方程组,证明了光就是二者统一的一种表现形式。众所周知,宇宙中的一切物质都在做变速运动,无论这种

4、变速运动是什么样的形式,都与力密切相关。因为支配物质行为的就是力。因此,要想最大限度地统一自然规律的描述,就必须把各种形式的力统一为一种力在各种不同条件下的表现。经过物理学家们近100年的艰苦努力,包括理论上的探究、实验上的摸索和验证,在20世纪中后期已将自然界各种不同的相互作用力统一为4种自然力:引力、电磁力、弱核力和强核力。余下的工作就是如何将这4种力进一步统一。粒子理论的不断发展和爱因斯坦晚年的大胆构思为建立大统一打下了良好的基础。1粒子理论下的4种基本相互作用目前,人们从粒子论中已经认识到,一切能观察到的物质是由4种基本粒子组成的(并非最小粒子):2种重子,即质子(p)和中子(n);2

5、种轻子,即电子(e)和中微子(),它们相互接近时,其行为是由以上4种自然力支配着。粒子论指出,组成物质的基本粒子之间不会直接发生力的作用,而是通过发射和吸收传递力粒子而产生通常称之为力的效应的。物质粒子发射出传递力粒子而产生反弹,传递力粒子与加外物质粒子碰撞而被吸收,这样一发一收,即两个物质粒子由交换传递力而使其速度发生改变,如同它们之间产生了力的作用。1.1两种长程力引力和电磁力当物质粒子发射的传递力粒子质量为零时,则在大距离上可以进行交换,称为长程力。1引力-所有物质粒子(p,n,e,)都能感受到这种力。它是由自旋为2、质量为零的引力子传递的。电磁力-只有带电粒子(P,e)之间才能发生这种

6、力的作用,它是由于自旋为1、质量为零的虚光子(与能级跃迁发射出的实光子不尽相同)传递的。并且只有带电的物质粒子才能发射和吸收这种传递力粒子。需要说明的是:引力子和虚光子都是虚粒子,不能通过实验的方法探测到它的存在,但确实产生了可以测量的效应,即引力和电磁力的存在。1.2两种短程力弱核力和强核力当物质粒子发射的传递力粒子具有一定的质量时,则不可能在大距离上产生交换效应,因此称为短程力。这种力只有在原子核内表现出来。弱核力所有的物质粒子(P，n,e,),当它们之间的距离小于10-18m时,可产生弱核力的作用,这种力制约着放射性现象,它是由自旋为1，具有100Gev的质量的中间玻色子传递的。强核力在

7、原子核内依靠这种强大的吸引力束缚在一起,这种力是由自旋为1的胶子来传递的。2统一理论的思想基础近代宇宙学的七大观点之一 宇宙大爆炸观点是统一4种相互作用力的重要理论基础。180亿年前某时刻发生了一场可怕的宇宙大爆炸,根据相对论的观点,大爆炸瞬间,时间和空间同时诞生了。但在大爆炸初的一段极短的时间内(大约为10-44s),宇宙中没有任何天体,没有任何粒子,也没有任何辐射,只是单纯而对称的时空以指数方式进行急骤的膨胀。因此,在这段时间内绝不可能存在可以区分开的4种相互作用力,也许整个宇宙就在一种作用下而膨胀着。根据对称原理,宇宙应是球形的(爱因斯坦超圆体模型)。因此时空是弯曲的,到大爆炸后的10-

8、44s,由于时空的弯曲为巨大引力作用的产生打下了基础,引力作用首先分划出来。美国物理学家狄拉克将广义相对论,质能方程(E mc2)和量子论结合起来,并进行了划时代的推导,得出著名的狄拉克方程,预言了通过聚集能量能创造出物质粒子,从大爆炸时刻(t=0)到10-36s,这时的宇宙要比现在小多了,难于想象的巨大能量封闭在如此小的宇宙中,根据狄拉克的理论,物质粒子必然大量产生,强作用力分化出来。随着宇宙的不断膨胀,物质粒子间的有效距离不断增大,带电物质粒子间的电磁作用力体现出来,到10-10s后电磁作用分划出来。至此自然界的4种自然相互作用产生了。 既然4种相互作用力是在宇宙大爆炸后,宇宙逐渐形成的最

9、初过程中,在各不相同的条件下逐次分划出来,因此,人们完全有理由认为在某种特定的条件下,可将这4种自然力统一起来,建立大统一理论,用这个理论解释各种自然现象。3粒子理论下的统一电弱统一的成功-当玻色子的能量远远超过100Gve时,其质量趋于零,它的行为方式与光子非常相似。但能量较低时,玻色子具有较大的质量,使其传递距离为短程。这种理论可将电磁与弱核作用很好地统一起来,称之为电弱相互作用,并且这种理论已有了实验的基础。不完全的大统一尝试高能粒子加速器的实验证明:在巨大能量下强核力变得弱得多,而电磁力和弱核力在高能下却变强了。由此物理学家预言,在非常高的称之为大统一能最下,有可能3种传递力粒子,即虚

10、光子、中间玻色子、胶子具有相同的行为和性质,而且不同的物质粒子也会基本上变成一样,这样就可以将这3种力统一2为一种力在不同的条件下的表现。在这里要着重指明两点:一是大统一能量的数值人们还不十分清楚,更无法进行实验验证;二是这种统一理论并不包括无处不有无时不在的引力。因此这是一种不完善的大统一理论。4爱因斯坦对统一理论的构思前面,笔者已经将粒子理论下的大统一理论的构思和发展作了一下简单介绍,在这种理论下无论如何不能把引力作用包括进去,著名物理学家爱因斯坦却在这方面作了大胆的设想,为大一理论的实现奠定了思想基础。1905年爱因斯坦天才地统一了时间和空间的概念,即在阂可夫斯基四维时空中,时间和空间是

11、密切相关的统一体。几年后,他将这统一的时空进一步加以深化,提出了统一的时空是弯曲的,著名的爱因斯坦转盘实验及1911年日蚀时观测到的恒星发射出的光线在太阳引力场中的弯曲,有利地证明了弯曲时空的这个事实。因此,爱因斯坦指出,由于物质的存在,使得空间一时间发生了弯曲,自由粒子在这弯曲的时空中并不能做直线运动,而是沿弧线运动,即所谓沿短程线运动,从而在宏观上表现为它受引力作用(因为任何曲线运动均是变速运动,要受到力的作用)。由此可以看出引力仅是时空弯曲的一种表现。这样,在物理界爱因斯坦首次将空间和时间的概念赋予了动力学的涵义。由于在粒子理论中的大统一只包括强作用力、弱作用力和电磁作用力,而不包括引力

12、作用,如果一旦能把引力作用和电磁作用统一起来就可打开这4种自然力内在统一的神秘大门。因此,爱因斯坦在他的晚年就致力于引力和电磁力的统一工作,并把此项工作作为他的终生事业。爱因斯坦认为,既然引力仅是空间一时间的某种几何性质的表现形式,那么要想把牛顿引力和麦克斯韦电磁力统一起来,就必须证明麦克斯韦电磁力同样也是空间一时间的某种几何性质的表现形式,能否做到这点呢?笔者在这里提出自己的一些看法。引力和电磁力虽然从宏观表现和微观机制上不尽相同,但也有非常相似的地方。在此笔者做几点简单比较:其一,彼此具有电磁力作用的物质粒子,我们说它带有电荷,正是由于这种粒子带有电荷,它才能够发射出或接收虚光子而产生电磁

13、力作用,而对所有的物质粒子而言,我们可以说它带有引力荷,正是由于它们带有引力荷,才能发射或接收引力子而产生引力作用;二,电荷周围要产生一种场称之为电磁场,同样,引力荷周围也要产生一种场称之为引力场;其三,带电粒子携带电荷作变速运动会激发电磁波,爱因斯坦认为物质粒子携带引力荷作变速运动也会激发出引力波,由于宇宙中所有的物质粒子均做变速运动故引力波充满了整个宇宙,同样引力场也充满整个宇宙。通过以上的几项简单比较,虽然至今人们还不知电荷和引力荷到底是一种什么东西,只能认为是粒子(包括带电粒子和不带电粒子)宏观表现的一种概念,但通过这种表现也不难想像出:其一是电荷和引力荷能否确实统一为某种共同的东西,

14、(即使它不是一种微观粒子而只能附着在粒子上)。引力荷是物质粒子普遍带有的,是否在某种特殊的条件下使引力荷又附带有电荷呢?其二是通过广义相对论可以得出引力荷(引力荷的多少为质量)与空间一时间的曲率有着密切联系，那么电荷(电荷的多少为电量)是否也能与空间一时间结构的某种几何性质发生联系呢，如果这两点想像经过理论和实验的研究，答案是肯定的话，那么就有可能把引力和电磁力统一起来，从而得出基本相互作用与空间一时间的几何性质的统一，使得真正的大统一理论宣告成功，实现爱因斯坦的最终宿愿:时间、空间、物质及它们之间的相互作用和物质的各种运动统一到一个理论中去。3最后要说明的是:其一，电磁力到底与时空的什么几何

15、性质密切相关?引力荷到底在什么条件下附带有电荷?还需要人们去深人地探究;其二，大统一理论就像光的本质理论波粒二象性一样，一方面为粒子理论下的不完全统一，一方面是广义相对论下的时空几何性质的不完全统一，二者相结合构成全面的大统一理论。展望：沿着规范场的途径人们已经接近实现弱、电、强三种相互作用的统一。我们自然希望引力相互作用也能够用规范场把它统一进来,实现四种相互作用的真正大统一。在这个方向上物理学家们已经做了很多的工作。爱因斯坦在世的时候就已经知道引力相互作用也是一种规范场。问题在于还不知道引力相互作用怎样与其他相互作用发生联系。引力场的量子化所遇到的不能重正和破坏么正性的困难至今还没有得到园满地解决。因此无法取得同其他三种相互作用一致的既是量子化的、又是规范场的形式,这是实现全面大统一的主要障碍。但使我们高兴的是,我国学者在广州粒子物理讨论会上所提出的引力规范理论,为解决这个问题提供了可能,这是一个好苗头。实现四种相互作用全面大统一的另一类工作是超对称、超引力理论,这是近年来苏联、美国、西欧很多学者所从事的课题,是规范场论的发展。杨一来将对称性从坐标对称性推广到同位旋等内部对称性。这些人又将内部对称性推广到费米子和玻色子之间的对称性,称为超对称性。他们企图当进行这种超对称的局部变换时,让方程中所涉及的每一种对称性,都引人一个规范场,从而将所有的相互作用都包括进来