“洪荒之力”有多大？——从相互作用角度认识宇宙世界

◇ 北京 程 帅 刘亚英



“洪荒之力”有多大？
——从相互作用角度认识宇宙世界

◇ 北京 程 帅 刘亚英

伴随着里约奥运会傅园慧的“我已经用了洪荒之力了”,瞬间洪荒之力就刷爆了我们的眼球．然而洪荒之力到底有多大呢?古语有云“天地玄黄,宇宙洪荒”,换言之这洪荒之力就是足以毁灭世界的力量．今天我们就从相互作用力的角度一起来认识我们的宇宙世界．

图1

电磁相互作用包括电力和磁力,具体指的是静止电荷之间以及运动电荷之间的相互作用．19世纪法国物理学家库伦首先发现了点电荷之间的相互作用规律．后经麦克斯韦总结提出了描写电磁作用的基本运动方程式——麦克斯韦方程．麦克斯韦方程把电与磁巧妙统一起来,定量描述了他们之间相互变化的规律,还揭示了光的电磁本质——电磁波．宏观物体之间的相互作用,除引力外,所有接触力,例如压力、摩擦力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现．

弱相互作用的发现始于1898年法国物理学家贝克勒尔·居里夫妇发现β衰变．顾名思义弱相互作用十分微弱,通过这种作用衰变的过程寿命大致在亿分之一秒的数量级,相比于典型的通过电磁作用衰变的过程要慢七八个量级,所以这种作用才命名为弱相互作用．

强相互作用是最强的相互作用,但却是最后发现的,始于1913年卢瑟福实验．它指出原子由原子核和电子组成,原子核非常小,其中质子间的斥力必定很大,需要另有强相互作用才能使核稳定,之后又发现原子核可以相互转变．强相互作用不限于核子间的核力,凡强子(包括介子和重子)都参与强相互作用．微观粒子如果通过强相互作用衰变,它的寿命的数量级比典型的通过电磁作用衰变过程快六七个数量级．由此我们看出强相互作用发生十分迅速,电磁作用较慢,弱作用更慢．三者寿命分别在10-20～<10-23、10-16～<10-20、10-10～<10-16s．

从理论上说,引力、电磁力的作用范围是无限的,能在宏观世界里显示其作用,称为长程力．弱相互作用和强相互作用是短程力,相互作用范围在原子核尺度内．强作用力只在10-15m范围内有显著作用,弱作用力的作用范围不超过10-16m．以自然单位表示4种相互作用的强度,他们的量级分别是:

强相互作用 1

电磁相互作用 10-2

弱相互作用 10-5

引力相互作用 10-39

4种相互作用就是以如此的强度保证了我们现实宇宙世界的稳定与和谐．

一直以来,物理学家都有一种愿望:世界是统一的,各种相互作用也都有一个共同的起源．例如爱因斯坦、海森堡、泡利等,在晚年都致力于统一理论的研究．在许多物理学家的共同努力下尝试建立弱、电、强3种相互作用的大统一理论．该理论认为当参与作用的粒子能量增强(距离减小)时,弱作用增强,强作用减弱,电磁相互作用缓慢变化．在极高的能量(1015GeV)或极小的距离(10-29m), 3种相互作用的强度趋于相等．当能量尺度进一步提高到1019GeV时,4种相互作用统一起来,称为超对称理论．同时还有近几年兴起的超弦理论等,当然这些理论还需要进一步研究和证实．

在追求自然界和谐统一的路上,可能还要经历很多困难与失败,但每一次发现都在加深我们对世界的认识．

清华附中永丰学校)