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草野山人 - 段紹節首頁
對物理學的思考(十四)
2019-11-12
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——空間中物質的相互作用


物質是在空間中運動的,也就是有物質運動則一定有物質運動存在的空間,有空間也必然有在其內的物質運動。運動物質與空間其二者是相輔相承的。
現在已知宇宙中的物質有兩類,一為實物粒子,正是由這些實物粒子組成了宇宙中的萬物,形成了我們所見到的一切;另一類為電磁場物質,它雖不被人所見,但它卻充斥于全宇宙的所有空間,光就是其波動的結果。
現在所要討論的實際上是空間中實物質間的相互作用。由于物質間有相互作用,才有了物質間的相互結合聚散,形成了宇宙中形態萬千的萬物。人為了認識自然、利用自然,也就必然的要認識物質的相互作用,從而使人能生存繁衍,社會得以存在發展。
所謂相互作用,自然是在物質之間發生的,即必然有作用物與被作用物。在相互作用的過程中,當作用物作用于被作用物時,被作用物同時對作用物有一個反作用,且這種相互作用與反作用是大小相等方向相反的,在作用過程中,它們是遵守自然的各種守恒規律的。即在相互作用的過程中物質運動的能量、動量、角動量等等都是守恒的,它們不會無故的消失也不會無故的創生。
在宏觀世界里,能顯示其作用的只有兩種:引力和電磁力。而在微觀的粒子則有強相互作用與弱相互作用。且在物理的量子化中,在有效的科研試驗對自然界粒子探索后,人們已經發現了電磁力 、強、弱相互作用力的統一存在聯系。
引力是所有物體之間都存在的一種相互作用。由于引力常量G很小,因此對于通常大小的物體,它們之間的引力非常微弱,在一般的物體之間存在的萬有引力常被忽略不計。但對于一個具有極大質量的天體,引力成為決定天體之間以及天體與物體之間的主要作用。
電磁相互作用包括靜止電磁荷之間以及運動電磁荷之間的相互作用。兩個點電荷之間的相互作用規律是19世紀法國物理學家庫侖發現的。運動著的帶電磁離子之間,除存在庫侖靜電作用力之外,還存在電磁力(洛倫茲力)的相互作用。引力、電磁力能在宏觀世界里顯示其作用。這兩種力是長程力,從理論上說,他們的作用范圍是無限的,但是引力與電磁力相比要弱得多。宏觀物體之間的相互作用,除引力外,所有接觸力都是大量原子、分子之間電磁相互作用的宏觀表現。這些相互作用力的比較為下表所示:
力的類型 數學型式 適用范圍 發生作用距離 力的強度(以強力為1) 傳遞粒子 傳遞粒子質量
引力 F=G (M_R  *m_δ)/r^2 r>R
∽∞ 可延伸到無限遠 10-38 引力子 不知
電磁力 F=-(Q_1×Q_2)/r^2 r>R
∽∞ 可延伸到無限遠 10-13 光子 0
強力 F=-D_1  (Q_1×Q_2)/r^2 r≈R
∽10-15m 約10-13厘米 1 膠子 假定為0
弱力 F=-D_2  (Q_1×Q_2)/r^2 r<R
∽10-18m 約10-16厘米 10-2 中間玻色子W+,W-和Z0 約90Gev
注:其中R為物質所占有的空間范圍半徑,r為物質間的相互距離,M為物質質量,Q為物質的電磁荷值,G、D為常數。
弱相互作用和強相互作用是短程力,短程力的相互作用范圍在原子核尺度內。強作用力只在10-15m范圍內有顯著作用,弱作用力的作用范圍不超過10-18m。這兩種力只有在原子核內部核基本粒子的相互作用中,才顯示出來,在宏觀世界里不能察覺他們的存在。
所有具有質量的物體之間的相互作用,表現為吸引力,是一種長程力,力程為無窮。其規律是牛頓萬有引力定律,更為精確的理論是廣義相對論。在4種基本相互作用中最弱,遠小于強相互作用 、電磁相互作用和弱相互作用,在微觀現象的研究中通??刹挥杩紤],然而在天體物理研究中起決定性作用。按照近代物理的觀點,引力作用是通過場或通過交換場的量子實現的,引力場的量子稱為引力子。 重力相互作用是作用范圍最大的(不會如電磁力一般相互抵銷)。但當距離增大,重力相互作用的影響力就會遞減。不像其他的相互作用,重力可以廣泛地作用于所有的物質。由于其廣泛的作用范圍,當物質質量為極大時,物質有關的屬性以及與物質的帶電量有時可以相對地忽略。由于其廣泛的作用范圍,引力可以解釋一些大范圍的天文現象,比如:銀河系、黑洞和宇宙膨脹,以及基本天文現象例如:行星的公轉;還有一些生活常識例如物體下落、很重的物體好像被固定在地上、人不能跳得太高等。
萬有引力是第一種被數學理論描述的相互作用。1687年艾薩克?牛頓發現地心引力,進而引伸出萬有引力定律,是一個非常好的用來描述通常重力行為的。在1915年,阿爾伯特?愛因斯坦完成了廣義相對論,將重力用一種更精確的方式描述--時空幾何,并指出引力是空間與時間彎曲的一種影響。
如今,一個活躍的領域正致力于用一個使用范圍更廣的理論來統一廣義相對論和量子力學的大統一理論。在量子力學中,一個在量子引力理論中設想的粒子——引力子被廣泛地認為是一個傳遞引力的粒子。引力子仍是假想粒子,目前還沒有被觀測到。
盡管廣義相對論在非量子力學限制的情況下較精確地描述了引力,但是仍有不少描述萬有引力的替代理論。這些在物理學界嚴格審視下的理論都是為了減少一些廣義相對論的局限性,而目前觀測工作的焦點就是確定什么理論修正廣義相對論的局限性是可能的。
帶電物體或具有磁矩物體之間的相互作用,是一種長程力,力程為無窮。宏觀的摩擦力、彈性力以及各種化學作用實質上都是電磁相互作用的表現。其強度僅次于強相互作用,居四種基本相互作用的第二位。電磁作用研究得最清楚,其規律總結在麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式中,更為精確的理論是量子電動力學。量子電動力學是物理學的精確理論,按照量子電動力學,電磁相互作用是通過交換電磁場的量子(光子)而傳遞的,它能夠很好地說明正反粒子的產生和湮沒,電子、μ子的反常磁矩(見粒子磁矩)與蘭姆移位等真空極化引起的細微電磁效應,理論計算與實驗符合得非常好。
最早觀察到的原子核的β衰變是弱作用現象。弱作用僅在微觀尺度上起作用,其力程最短,其強度排在強相互作用和電磁相互作用之后居第三位。其對稱性較差,許多在強作用和電磁作用下的守恒定律都遭到破壞,例如宇稱守恒在弱作用下不成立。弱作用的理論是電弱統一理論,弱作用通過交換中間玻色子(W 及 Z 玻色子)而傳遞。弱作用引起的粒子衰變稱為弱衰變,弱衰變粒子的平均壽命大于10-13秒。最早觀察到的原子核的β衰變是弱相互作用現象,凡是涉及中微子的反應都是弱相互作用過程。弱相互作用僅在微觀尺度上起作用,其力程最短(大約在10-18米范圍內,比強相互作用的范圍小)。由于弱相互作用比強相互作用和電磁相互作用的強度都弱,故有此名。
弱相互作用的一個特點是對稱性低。弱相互作用與電磁相互作用雖然很不相同,卻又有相似之處。弱相互作用流與電流一樣是守恒的,它們之間還有以對稱性相聯系的關系。在60年代末提出了弱作用和電磁作用統一的規范理論。標準的弱電統一規范模型與所有低能的弱作用實驗結果一致。理論中預言的中間玻色子也已于1983年發現。
最早認識到的質子、中子間的核力屬于強相互作用,是質子、中子結合成原子核的作用力,后來進一步認識到強子是由夸克組成的,強作用是夸克之間的相互作用力。強作用最強,也是一種短程力。其理論是量子色動力學,強作用是一種色相互作用,具有色荷的夸克所具有的相互作用,色荷通過交換8種膠子而相互作用,在能量不是非常高的情況下,強相互作用的媒介粒子是介子。強作用具有最強的對稱性,遵從的守恒定律最多。強作用引起的粒子衰變稱為強衰變,強衰變粒子的平均壽命最短,為10-20∽10-24秒,強衰變粒子稱為不穩定粒子或共振態。強相互作用是作用于強子之間的力,是所知四種宇宙間基本作用力最強的,也是作用距離第二短的(大約在10-15米范圍內,比弱相互作用的范圍大)。核子間的核力就是強相互作用,它抵抗了質子之間的強大的電磁力,維持了原子核的穩定?,F在物理學家認為強相互作用的產生與夸克、膠子有關。強相互作用比其他三種基本作用有更大的對稱性,也就是說,在強相互作用中有更多的守恒定律。強相互作用不像引力和電磁相互作用那樣是長程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程長,大約等于原子核中核子間的距離。
對強相互作用本質的了解長期以來是物理學中的難題。人們曾經提出過許多強相互作用的理論,它們取得的成就都很有限。原因之一是理論中沒有小參量,因而找不到可靠的近似方法。人們由強子的夸克模型和規范場的概念出發提出量子色動力學。在這個理論中,強相互作用是組成強子的夸克之間通過一些稱為膠子的規范粒子場傳遞的作用,這個理論有在小距離處作用變弱的性質,它被認為是有希望的強相互作用基本理論。
近代物理的觀點傾向于認為4種基本相互作用是統一的,物理學家正在為建立大統一理論、超統一理論而努力。
其實物質間的相互作用只是兩種,一種為物質存在空間對物質運動的反作用,另一種為運動物質之間的相互作用。物質在空間中運動,從而使空間發生了變化,如實物粒子就是一個獨立的空間系統,實物粒子完全是由空間發生了曲變形成的,這也就是物質運動改變了空間,反之曲變了的空間,對在空間中運動的物質也就必然的有一個反作用,這種作用則表現為物質的引力相互作用。而實物粒子的獨立空間系統形成后都是據有電磁性的,這種電磁間也有相互作用,這種相互作用是物質本身所據有的,是電磁相互作用、強相互作用及弱相互作用。 


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草根簡介


1938年7月15日生。北京大學畢業,分配到中國工程物理研究院核物理與化學研究所工作,直到退休。研究員?,F居住北京海淀區。
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