1、自然界中四種基本相互作用的研究學(xué)院物理工程學(xué)院 專業(yè)物理學(xué)姓名目錄摘要 . 1關(guān)鍵詞 . 1引言 . 11粒子理論下的4種基本相互作用 . 11.1兩種長程力引力和電磁力 . 11.2兩種短程力弱核力和強核力 . 22統(tǒng)一理論的思想基礎(chǔ) . 23粒子理論下的統(tǒng)一 . 24愛因斯坦對統(tǒng)一理論的構(gòu)思 . 3展望 . 4參考文獻 . 4自然界中四種基本相互作用的研究摘要：人們發(fā)現(xiàn)微觀粒子之間僅存在四種相互作用力，它們是萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力。宇宙間所有現(xiàn)象都可以用這四種作用力來解釋。進一步研究四種作用力之間聯(lián)系與統(tǒng)一，尋找能統(tǒng)一說明四種相互作用力的理論大統(tǒng)一理論。本文從兩種不同

2、的角度粒子理論和場理論,淺析對大統(tǒng)一理論的認識,進而認識自然規(guī)律的統(tǒng)一性。關(guān)鍵詞：大統(tǒng)一理論;自然力;物質(zhì)粒子;傳遞力拉子;四種基本力 引言：早在20世紀20年代，著名物理學(xué)家愛因斯坦就致力于尋找一種統(tǒng)一的理論來解釋所有相互作用，也可以說是解釋一切物理現(xiàn)象，因為他認為自然科學(xué)中“統(tǒng)一”的概念或許是一個最基本的法則。甚至可說在愛因斯坦的哲學(xué)中，“統(tǒng)一”的概念根深蒂固，他深信“自然界應(yīng)當(dāng)滿足簡單性原則”。從30年代提出相對論后不久，愛因斯坦就著手研究“大統(tǒng)一理論”，試圖通過“弱作用，磁場，強作用”的統(tǒng)一思維來簡單的解釋宇宙，進一步將當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)的四種相互作用統(tǒng)一到一個理論框架下，從而找到這四種相互作

3、用產(chǎn)生的根源。這一工作一直到他1955年逝世為止，并幾乎耗盡了他后半生的精力，而且統(tǒng)一思維與當(dāng)時物理學(xué)界的主流思想不符，以致于一些科學(xué)史學(xué)家斷言這是愛因斯坦的一大失誤。17世紀,牛頓在研究宇宙行星運動規(guī)律時,把行星繞太陽、月球繞地球、太陽系繞銀河的運動,以及地球?qū)ζ渖厦嫖矬w間的吸引統(tǒng)稱為一種力的作用,稱為萬有引力,并得到萬有引力定律。正是由于這種力的作用,使得宇宙間各天體組成了和諧的大家庭。19世紀下半葉,麥克斯韋成功地把電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來,指出了電力和磁力是本質(zhì)上相同的力,并得到了著名的麥克斯韋方程組,證明了光就是二者統(tǒng)一的一種表現(xiàn)形式。眾所周知,宇宙中的一切物質(zhì)都在做變速運動,無論這種

4、變速運動是什么樣的形式,都與力密切相關(guān)。因為支配物質(zhì)行為的就是力。因此,要想最大限度地統(tǒng)一自然規(guī)律的描述,就必須把各種形式的力統(tǒng)一為一種力在各種不同條件下的表現(xiàn)。經(jīng)過物理學(xué)家們近100年的艱苦努力,包括理論上的探究、實驗上的摸索和驗證,在20世紀中后期已將自然界各種不同的相互作用力統(tǒng)一為4種自然力:引力、電磁力、弱核力和強核力。余下的工作就是如何將這4種力進一步統(tǒng)一。粒子理論的不斷發(fā)展和愛因斯坦晚年的大膽構(gòu)思為建立大統(tǒng)一打下了良好的基礎(chǔ)。1粒子理論下的4種基本相互作用目前,人們從粒子論中已經(jīng)認識到,一切能觀察到的物質(zhì)是由4種基本粒子組成的(并非最小粒子):2種重子,即質(zhì)子(p)和中子(n);2

5、種輕子,即電子(e)和中微子(),它們相互接近時,其行為是由以上4種自然力支配著。粒子論指出,組成物質(zhì)的基本粒子之間不會直接發(fā)生力的作用,而是通過發(fā)射和吸收傳遞力粒子而產(chǎn)生通常稱之為力的效應(yīng)的。物質(zhì)粒子發(fā)射出傳遞力粒子而產(chǎn)生反彈,傳遞力粒子與加外物質(zhì)粒子碰撞而被吸收,這樣一發(fā)一收,即兩個物質(zhì)粒子由交換傳遞力而使其速度發(fā)生改變,如同它們之間產(chǎn)生了力的作用。1.1兩種長程力引力和電磁力當(dāng)物質(zhì)粒子發(fā)射的傳遞力粒子質(zhì)量為零時,則在大距離上可以進行交換,稱為長程力。1引力-所有物質(zhì)粒子(p,n,e,)都能感受到這種力。它是由自旋為2、質(zhì)量為零的引力子傳遞的。電磁力-只有帶電粒子(P,e)之間才能發(fā)生這種

6、力的作用,它是由于自旋為1、質(zhì)量為零的虛光子(與能級躍遷發(fā)射出的實光子不盡相同)傳遞的。并且只有帶電的物質(zhì)粒子才能發(fā)射和吸收這種傳遞力粒子。需要說明的是:引力子和虛光子都是虛粒子,不能通過實驗的方法探測到它的存在,但確實產(chǎn)生了可以測量的效應(yīng),即引力和電磁力的存在。1.2兩種短程力弱核力和強核力當(dāng)物質(zhì)粒子發(fā)射的傳遞力粒子具有一定的質(zhì)量時,則不可能在大距離上產(chǎn)生交換效應(yīng),因此稱為短程力。這種力只有在原子核內(nèi)表現(xiàn)出來。弱核力所有的物質(zhì)粒子(P，n,e,),當(dāng)它們之間的距離小于10-18m時,可產(chǎn)生弱核力的作用,這種力制約著放射性現(xiàn)象,它是由自旋為1，具有100Gev的質(zhì)量的中間玻色子傳遞的。強核力在

7、原子核內(nèi)依靠這種強大的吸引力束縛在一起,這種力是由自旋為1的膠子來傳遞的。2統(tǒng)一理論的思想基礎(chǔ)近代宇宙學(xué)的七大觀點之一 宇宙大爆炸觀點是統(tǒng)一4種相互作用力的重要理論基礎(chǔ)。180億年前某時刻發(fā)生了一場可怕的宇宙大爆炸,根據(jù)相對論的觀點,大爆炸瞬間,時間和空間同時誕生了。但在大爆炸初的一段極短的時間內(nèi)(大約為10-44s),宇宙中沒有任何天體,沒有任何粒子,也沒有任何輻射,只是單純而對稱的時空以指數(shù)方式進行急驟的膨脹。因此,在這段時間內(nèi)絕不可能存在可以區(qū)分開的4種相互作用力,也許整個宇宙就在一種作用下而膨脹著。根據(jù)對稱原理,宇宙應(yīng)是球形的(愛因斯坦超圓體模型)。因此時空是彎曲的,到大爆炸后的10-

8、44s,由于時空的彎曲為巨大引力作用的產(chǎn)生打下了基礎(chǔ),引力作用首先分劃出來。美國物理學(xué)家狄拉克將廣義相對論,質(zhì)能方程(E mc2)和量子論結(jié)合起來,并進行了劃時代的推導(dǎo),得出著名的狄拉克方程,預(yù)言了通過聚集能量能創(chuàng)造出物質(zhì)粒子,從大爆炸時刻(t=0)到10-36s,這時的宇宙要比現(xiàn)在小多了,難于想象的巨大能量封閉在如此小的宇宙中,根據(jù)狄拉克的理論,物質(zhì)粒子必然大量產(chǎn)生,強作用力分化出來。隨著宇宙的不斷膨脹,物質(zhì)粒子間的有效距離不斷增大,帶電物質(zhì)粒子間的電磁作用力體現(xiàn)出來,到10-10s后電磁作用分劃出來。至此自然界的4種自然相互作用產(chǎn)生了。 既然4種相互作用力是在宇宙大爆炸后,宇宙逐漸形成的最

9、初過程中,在各不相同的條件下逐次分劃出來,因此,人們完全有理由認為在某種特定的條件下,可將這4種自然力統(tǒng)一起來,建立大統(tǒng)一理論,用這個理論解釋各種自然現(xiàn)象。3粒子理論下的統(tǒng)一電弱統(tǒng)一的成功-當(dāng)玻色子的能量遠遠超過100Gve時,其質(zhì)量趨于零,它的行為方式與光子非常相似。但能量較低時,玻色子具有較大的質(zhì)量,使其傳遞距離為短程。這種理論可將電磁與弱核作用很好地統(tǒng)一起來,稱之為電弱相互作用,并且這種理論已有了實驗的基礎(chǔ)。不完全的大統(tǒng)一嘗試高能粒子加速器的實驗證明:在巨大能量下強核力變得弱得多,而電磁力和弱核力在高能下卻變強了。由此物理學(xué)家預(yù)言,在非常高的稱之為大統(tǒng)一能最下,有可能3種傳遞力粒子,即虛

10、光子、中間玻色子、膠子具有相同的行為和性質(zhì),而且不同的物質(zhì)粒子也會基本上變成一樣,這樣就可以將這3種力統(tǒng)一2為一種力在不同的條件下的表現(xiàn)。在這里要著重指明兩點:一是大統(tǒng)一能量的數(shù)值人們還不十分清楚,更無法進行實驗驗證;二是這種統(tǒng)一理論并不包括無處不有無時不在的引力。因此這是一種不完善的大統(tǒng)一理論。4愛因斯坦對統(tǒng)一理論的構(gòu)思前面,筆者已經(jīng)將粒子理論下的大統(tǒng)一理論的構(gòu)思和發(fā)展作了一下簡單介紹,在這種理論下無論如何不能把引力作用包括進去,著名物理學(xué)家愛因斯坦卻在這方面作了大膽的設(shè)想,為大一理論的實現(xiàn)奠定了思想基礎(chǔ)。1905年愛因斯坦天才地統(tǒng)一了時間和空間的概念,即在閡可夫斯基四維時空中,時間和空間是

11、密切相關(guān)的統(tǒng)一體。幾年后,他將這統(tǒng)一的時空進一步加以深化,提出了統(tǒng)一的時空是彎曲的,著名的愛因斯坦轉(zhuǎn)盤實驗及1911年日蝕時觀測到的恒星發(fā)射出的光線在太陽引力場中的彎曲,有利地證明了彎曲時空的這個事實。因此,愛因斯坦指出,由于物質(zhì)的存在,使得空間一時間發(fā)生了彎曲,自由粒子在這彎曲的時空中并不能做直線運動,而是沿弧線運動,即所謂沿短程線運動,從而在宏觀上表現(xiàn)為它受引力作用(因為任何曲線運動均是變速運動,要受到力的作用)。由此可以看出引力僅是時空彎曲的一種表現(xiàn)。這樣,在物理界愛因斯坦首次將空間和時間的概念賦予了動力學(xué)的涵義。由于在粒子理論中的大統(tǒng)一只包括強作用力、弱作用力和電磁作用力,而不包括引力

12、作用,如果一旦能把引力作用和電磁作用統(tǒng)一起來就可打開這4種自然力內(nèi)在統(tǒng)一的神秘大門。因此,愛因斯坦在他的晚年就致力于引力和電磁力的統(tǒng)一工作,并把此項工作作為他的終生事業(yè)。愛因斯坦認為,既然引力僅是空間一時間的某種幾何性質(zhì)的表現(xiàn)形式,那么要想把牛頓引力和麥克斯韋電磁力統(tǒng)一起來,就必須證明麥克斯韋電磁力同樣也是空間一時間的某種幾何性質(zhì)的表現(xiàn)形式,能否做到這點呢?筆者在這里提出自己的一些看法。引力和電磁力雖然從宏觀表現(xiàn)和微觀機制上不盡相同,但也有非常相似的地方。在此筆者做幾點簡單比較:其一,彼此具有電磁力作用的物質(zhì)粒子,我們說它帶有電荷,正是由于這種粒子帶有電荷,它才能夠發(fā)射出或接收虛光子而產(chǎn)生電磁

13、力作用,而對所有的物質(zhì)粒子而言,我們可以說它帶有引力荷,正是由于它們帶有引力荷,才能發(fā)射或接收引力子而產(chǎn)生引力作用;二,電荷周圍要產(chǎn)生一種場稱之為電磁場,同樣,引力荷周圍也要產(chǎn)生一種場稱之為引力場;其三,帶電粒子攜帶電荷作變速運動會激發(fā)電磁波,愛因斯坦認為物質(zhì)粒子攜帶引力荷作變速運動也會激發(fā)出引力波,由于宇宙中所有的物質(zhì)粒子均做變速運動故引力波充滿了整個宇宙,同樣引力場也充滿整個宇宙。通過以上的幾項簡單比較,雖然至今人們還不知電荷和引力荷到底是一種什么東西,只能認為是粒子(包括帶電粒子和不帶電粒子)宏觀表現(xiàn)的一種概念,但通過這種表現(xiàn)也不難想像出:其一是電荷和引力荷能否確實統(tǒng)一為某種共同的東西,

14、(即使它不是一種微觀粒子而只能附著在粒子上)。引力荷是物質(zhì)粒子普遍帶有的,是否在某種特殊的條件下使引力荷又附帶有電荷呢?其二是通過廣義相對論可以得出引力荷(引力荷的多少為質(zhì)量)與空間一時間的曲率有著密切聯(lián)系，那么電荷(電荷的多少為電量)是否也能與空間一時間結(jié)構(gòu)的某種幾何性質(zhì)發(fā)生聯(lián)系呢，如果這兩點想像經(jīng)過理論和實驗的研究，答案是肯定的話，那么就有可能把引力和電磁力統(tǒng)一起來，從而得出基本相互作用與空間一時間的幾何性質(zhì)的統(tǒng)一，使得真正的大統(tǒng)一理論宣告成功，實現(xiàn)愛因斯坦的最終宿愿:時間、空間、物質(zhì)及它們之間的相互作用和物質(zhì)的各種運動統(tǒng)一到一個理論中去。3最后要說明的是:其一，電磁力到底與時空的什么幾何

15、性質(zhì)密切相關(guān)?引力荷到底在什么條件下附帶有電荷?還需要人們?nèi)ド钊说靥骄?其二，大統(tǒng)一理論就像光的本質(zhì)理論波粒二象性一樣，一方面為粒子理論下的不完全統(tǒng)一，一方面是廣義相對論下的時空幾何性質(zhì)的不完全統(tǒng)一，二者相結(jié)合構(gòu)成全面的大統(tǒng)一理論。展望：沿著規(guī)范場的途徑人們已經(jīng)接近實現(xiàn)弱、電、強三種相互作用的統(tǒng)一。我們自然希望引力相互作用也能夠用規(guī)范場把它統(tǒng)一進來,實現(xiàn)四種相互作用的真正大統(tǒng)一。在這個方向上物理學(xué)家們已經(jīng)做了很多的工作。愛因斯坦在世的時候就已經(jīng)知道引力相互作用也是一種規(guī)范場。問題在于還不知道引力相互作用怎樣與其他相互作用發(fā)生聯(lián)系。引力場的量子化所遇到的不能重正和破壞么正性的困難至今還沒有得到園滿地解決。因此無法取得同其他三種相互作用一致的既是量子化的、又是規(guī)范場的形式,這是實現(xiàn)全面大統(tǒng)一的主要障礙。但使我們高興的是,我國學(xué)者在廣州粒子物理討論會上所提出的引力規(guī)范理論,為解決這個問題提供了可能,這是一個好苗頭。實現(xiàn)四種相互作用全面大統(tǒng)一的另一類工作是超對稱、超引力理論,這是近年來蘇聯(lián)、美國、西歐很多學(xué)者所從事的課題,是規(guī)范場論的發(fā)展。楊一來將對稱性從坐標對稱性推廣到同位旋等內(nèi)部對稱性。這些人又將內(nèi)部對稱性推廣到費米子和玻色子之間的對稱性,稱為超對稱性。他們企圖當(dāng)進行這種超對稱的局部變換時,讓方程中所涉及的每一種對稱性,都引人一個規(guī)范場,從而將所有的相互作用都包括進來