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弱力 [ruò lì] 弱力，四種基本力中第二弱的、作用距離第一短的一種力。它只作用于電子、夸克層子、中微子（杜真子）等費(fèi)米子，并制約著放射性現(xiàn)象。而對諸如光子、引子等玻色子不起作用。 中文名 弱力 蒙古名 bichil ehergi 背景 聽語音 宇宙中已知的四種基本力包括：引力，電磁力，強(qiáng)力，弱力。四種基本力參數(shù)以一種微妙的平衡構(gòu)成了如今已知的宇宙環(huán)境，這些參數(shù)甚至可以精確到小數(shù)點后無數(shù)位，其中任何一項參數(shù)的改變都會令整個宇宙發(fā)生徹底的變化，其中一項力的改變可以令宇宙崩潰也不是不可能的。當(dāng)然這四種基本力的微妙平衡是巧合還是必然還不是現(xiàn)階段的技術(shù)水平所能獲知的。 基本信息 聽語音 產(chǎn)生 在基本粒子之間還存在另一種短程相互作用力——強(qiáng)力，弱力的作用距離比強(qiáng)力更短，作用力的強(qiáng)度也比強(qiáng)力小得多，但在放射現(xiàn)象中起重要作用，β衰變中放出電子和中微子，電子和中微子之間只有弱力作用。弱力也存在其它基本粒子之間。 神秘的射線 1895年，德國的一位物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴發(fā)現(xiàn)置于真空放電管附近的密封底片，雖然沒有暴露在光線下，但卻變成了灰色。倫琴斷定，放電管內(nèi)一定存在著能穿透底片的“光線”。他抓住這一現(xiàn)象追蹤下去，并將涂有鉑氰酸鉀磷光質(zhì)的屏幕，置于放光管附近，屏幕閃閃發(fā)光。他又將金屬厚片置于放電管和磷光屏中間，屏幕后便出現(xiàn)了金屬的陰影。倘使再換上輕質(zhì)的薄鉛片或木片，屏幕幾乎看不到這種陰影。當(dāng)用這種射線來觀察人體時，更為神奇的現(xiàn)象發(fā)生了：人體在屏幕后除剩下骷髏般的骨骼外，其它的一切都不見了！ 無獨(dú)有偶，繼神秘的X射線發(fā)現(xiàn)之后，1896年，法國的亨利·貝克勒爾，想起了有一種天然鈾鹽礦石，經(jīng)太陽曝曬之后，在暗室中觀察，礦石會發(fā)出一種淺綠色的熒光。他為了考察新發(fā)現(xiàn)的X射線，將一塊天然鈾鹽礦石放在一張用黑紙包起來的照相底片上，打算放在太陽下曝曬，看底片是否也會像X射線那樣感光。十分不巧，天氣陰雨，貝克勒爾只得把底片連同礦石一起鎖在不見光的抽屜里，并無意地在底片上放了一把鑰匙，許多天過去了，貝克勒爾靈機(jī)一動，不妨把這張底片也沖出來看看。又一樁神奇的現(xiàn)象出現(xiàn)了：底片早已感光了，還呈現(xiàn)出一把鑰匙的清晰陰影。進(jìn)一步考察表明，這種射線是一種新的、穿透力也很強(qiáng)的射線。 1900年，居里夫婦開始有系統(tǒng)地從元素、化合物、天然礦物中尋找這種效應(yīng)。他們從瀝青鈾礦和其它幾種含鈾礦物中，發(fā)現(xiàn)了比鈉鹽更為活躍的元素。居里夫人和貝蒙特合作，從瀝青鈾礦中制取了放射性元素鐳。另幾位學(xué)者還發(fā)現(xiàn)了釙和錒。 射線三種不同成分 這一連串的新奇發(fā)現(xiàn)，引起了科學(xué)家們的震驚和注意。原來，原子量很大的元素，幾乎都具有放射性。經(jīng)過一段研究之后，人們才弄清了放射出來的射線具有三種不同的成分：一種叫α射線，這是由兩個質(zhì)子和兩個中子組成的、質(zhì)量為氫原子質(zhì)量四倍的帶正電荷粒子流，經(jīng)過質(zhì)量和電荷測定，確定α粒子就是氦的原子核，具有強(qiáng)電離作用，在電場中偏向負(fù)極；一種是β射線，也就是貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的射線，它其實就是一種高速運(yùn)動的電子流0/-1e，貫穿能力很強(qiáng)，電離作用弱，在電場中偏向正極；還有一種射線叫γ射線，這是一種比X射線穿透力還要強(qiáng)得多的射線，它是一種不帶電的高能電磁波，波長很短（0.001-0.0001nm），穿透力強(qiáng)，射程遠(yuǎn)，一次可照射很多材料，而且劑量比較均勻，危險性大，必須屏蔽（幾個cm的鉛板或幾米厚的混凝土墻），在電場中不偏向。 物理學(xué)家們開始把注意力集中到原子核內(nèi)部。那些來自原子核深處的神秘射線顯示出：物理學(xué)中尚有一塊未被開懇的“處女地”。到底是什么力量把α、β、γ射線中的粒子從原子核內(nèi)部拋出來的呢？直到20世紀(jì)30年代，人們對原子核內(nèi)部有了一個初步了解之后，才發(fā)現(xiàn)了支配微觀世界規(guī)律的，又有一種新的自然力。 費(fèi)米的弱力理論 從上世紀(jì)末開始，人們的視野穿透到了另一個天地——微觀世界。人們弄清了原子是由很小的原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子所組成。隨后，人們又弄清了原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成的。還搞清了它們之間的一些變化關(guān)系：中子發(fā)射一個電子就變成質(zhì)子；質(zhì)子又可發(fā)射一個正電子變成中子。表面看來，人們已弄清了一些新奇的、微觀粒子的“換身術(shù)”。 中子→質(zhì)子+電子 質(zhì)子→中子+正電子 天然的β衰變，正是原子核內(nèi)的中子放出電子，衰變成一個質(zhì)子的現(xiàn)象。當(dāng)人們想進(jìn)一步弄清β衰變時，物理學(xué)竟在微觀領(lǐng)域遇上了一場生死存亡的挑戰(zhàn)。按照物理學(xué)中最重要的能量守恒定律，β衰變過程中，原子核內(nèi)部中子衰變成質(zhì)子而失去的能量，應(yīng)該等于它所放出的電子帶走的能量。然而，實驗結(jié)果表明，電子所帶走的能量，總比原子核應(yīng)該放出的能量少得多。直接觀測的β衰變過程表明，電子具有從零到某一上限的不同動能。這說明原子核所失去的能量并不恒等，有多有少。物理學(xué)家們?yōu)榇颂岢隽朔N種假設(shè)，但都無法解釋這樁怪事。 正在這個緊要關(guān)頭，在玻爾領(lǐng)導(dǎo)的哥本哈根理論物理研究所里，有位大膽的青年物理學(xué)家泡利，于1933年提出了一個嶄新的理論：在微觀世界，確實存在著一個“竊能賊”，把原子核內(nèi)釋放的一部分能量偷走了。泡利假設(shè)：它可能不帶電，質(zhì)量也非常小，同周圍的相互作用力很弱，所以就不知不覺地從測量儀器下溜走了。 恩里科·費(fèi)米緊緊抓住泡利關(guān)于“中微子”的假設(shè)，繼續(xù)向縱深思索：如果中微子真的存在，那么，在原子核里出現(xiàn)的β放射性行為，就可以解釋為這樣一個道理：原子核中的中子在衰變成質(zhì)子的過程中，不僅是放出一個電子，同時還放出一個中微子。這就是說，前面所講的那種“換身術(shù)”不對，正確的方法應(yīng)是： 中子→質(zhì)子+電子+中微子 究竟是一種什么力促使這種變化呢？仔細(xì)分析，電磁力不可能產(chǎn)生這個過程，因為電磁力的傳遞者是光子，而在這種衰變中沒有光子參加。費(fèi)米作了一個大膽的嘗試，他假定：從質(zhì)子到中子的衰變過程，是由于自然界中某種新的力引起的。經(jīng)過一番琢磨，費(fèi)米得出了幾個新穎奇特的結(jié)論： 1.這個力要比電磁力弱10的11次方倍，但比萬有引力要強(qiáng)得多； 2.這個力只能發(fā)生在四個自旋為二分之一的基本粒子之間； 3.這個力的作用力程非常短，幾乎為零，即參與相互作用的粒子彼此一離開，力就迅速地消失了。 弱力沒有本領(lǐng)把任何粒子束縛在一個較復(fù)雜的體系中，它只存在于一些粒子發(fā)生衰變和浮獲的一瞬間，粒子之間一離開，弱力馬上就消失。 人們認(rèn)為自然界果真是存在著一種新的自然力——弱力。費(fèi)米也因創(chuàng)立了弱力理論而聞名天下，他的理論得到了舉世公認(rèn)。 奇異的K介子 繼1956年發(fā)現(xiàn)中微子之后，1957年人們又弄清了弱力還有一個奇怪的脾氣。事情發(fā)生在一種叫K介子的基本粒子身上。1949年，科學(xué)家第一次在宇宙射線的照片中，看到一種奇異的粒子，四年之后，用強(qiáng)大的加速器又人為地獲得了這種粒子，后來把它命名為K介子。K介子有四種，其中兩種分別帶正、負(fù)電荷，記作K ±，另外兩種不帶電荷，記作K°、K 。所以稱K -24介子為奇異粒子，其原意是，這類粒子產(chǎn)生的時間非常短，約只有10-24秒；但平均壽命則一般在10-10秒以上，相對來講又很長。 宇稱不守恒定律 說起K介子之奇異，還有它另一段很不平凡的經(jīng)歷。1955年前后，圍繞著奇異的K介子，物理學(xué)上發(fā)生了一樁大疑案，當(dāng)時物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)有兩種K介子：一種衰變成兩個π介子；一種衰變成三個π介子。為了區(qū)別它們，便將前者命名為θ介子，后者命名為τ介子。θ和τ介子除了衰變的差別之外，其它性質(zhì)幾乎一模一樣。假如認(rèn)為θ介子和τ介子是同一種粒子，只不過具有兩種衰變方式，那么，就要動搖現(xiàn)代微觀物理學(xué)中一條神圣的基本定律——宇稱守恒定律。 宇稱守恒定律是關(guān)于微觀粒子體系的運(yùn)動或變化的、具有左右對稱性的定律。微觀粒子體系在發(fā)生某種變化過程時，如核反應(yīng)、基本粒子的產(chǎn)生和衰變等，其變化前的總宇稱（其值為+1或-1）必須等于變化后的總宇稱。其物理意義是：粒子體系和它的“鏡像粒子”體系都遵從同樣的運(yùn)動變化規(guī)律。這條定律后來被李政道和楊振寧所打破，證實基本粒子的弱相互作用中，宇稱并不守恒。 中間玻色子理論 在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的自然力中，弱力是最獨(dú)特的一種，費(fèi)米理論在解釋弱作用過程中，盡管得到成功；但他提出：弱力只發(fā)生在基本粒子直接接觸的一霎那間。很多物理學(xué)家不喜歡弱力的這種脾氣，他們總是致力于追求大自然的和諧統(tǒng)一。 用例 聽語音 50年代末，李政道、費(fèi)曼和蓋爾曼等人，提出了一種新的理論——荷電中間玻色子理論。這種理論的建立，在相當(dāng)大的程度上是基于電磁理論的啟發(fā)。從中間玻色子理論來看，弱力和電磁力之間，只要把“電荷”換成“弱荷”，把“電流”換成“弱流”，把傳遞電磁力的“光子”換成傳弱遞力的“中間玻色子”，就立即可以得到有關(guān)弱力理論的新概念。弱力被描寫成交換一種叫中間荷電玻色（這種中間荷電玻色子記作W±粒子）的過程，根據(jù)測不準(zhǔn)關(guān)系，作用力的力程與交換的粒子的質(zhì)量成反比。（測不準(zhǔn)關(guān)系即一個微觀粒子和某些成對的物理不可能同時具有確定的數(shù)值，其中一個量愈確定，則另一個量的不確定程度就愈大。）電磁力和引力的作用力程為無限大，被交換的光子和猜想的引力子的質(zhì)量為零。而弱力的作用力程如此之短（小于10-15厘米），那么，被交換的W±粒子的質(zhì)量必然很大。理論計算出這種粒子的質(zhì)量，約為質(zhì)子質(zhì)量的75倍，為幾十億電子伏。 正因為中間玻色子太重，現(xiàn)在的高能加速器很難把它產(chǎn)生出來，弱力的中間玻色理論，和費(fèi)米理論一樣，也可以用來解釋基本粒子中的弱過程，并且很難區(qū)分哪一種理論更好些。 新的觀點 聽語音 研究指出電荷群的穩(wěn)定過程中存在對稱性自發(fā)破缺。只有從其它途徑獲得與異號電荷吸引力等量且相反的力才能使電荷群穩(wěn)定。電荷群外電場的變化可能改變電荷群的穩(wěn)定性。未把微觀物質(zhì)看作電荷群時提出的強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力是電荷群內(nèi)部的力在兩種不同情況下的表現(xiàn)。其中弱相互作用力是電荷群內(nèi)部演變產(chǎn)生的電磁作用力。 這里所說的電荷群定義是：電量絕對值相等且數(shù)量相等的異號點電荷混合，正電荷與負(fù)電荷不重合。這些點電荷在空間中聚集形成的群體被稱為電荷群。 詳細(xì)的論述出現(xiàn)在下面參考資料包含的文獻(xiàn)中。 傳播弱力的傳播子 粒子的自旋是粒子固有的角動量，是其內(nèi)稟的屬性，每種粒子都有其固定的大小不會改變。在數(shù)值上，粒子的自旋角動量S=[s(s+1)]^(1/2)h'（其中s是自旋量子數(shù)，電子質(zhì)子中子的s=1/2，光子的s=1，介子的s=0；h'=h/(2π)≈1.05*10^-34(J.s)，h是普朗克常數(shù)）。s是整數(shù)還是半整數(shù)對粒子的統(tǒng)計性影響很大，著名的泡利不相容原理本質(zhì)上就是s為半整數(shù)的粒子遵循費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計。 自旋為1，就是象光子那樣指其自旋量子數(shù)s=1，相應(yīng)的其實際角動量S=√2 h'。自旋可以粗略地理解為自己旋轉(zhuǎn)，但嚴(yán)格來說這是不對的，因為微觀粒子是被認(rèn)為是點粒子的，一個點怎么旋轉(zhuǎn)？注意，這里說的粒子都是指基本粒子——沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的點粒子。像原子、分子這樣的復(fù)合粒子還是一個模糊的形狀的。 傳播弱力的傳播子有W+、W-、Z這三種矢量玻色子。所謂矢量就是指其自旋為1，跟光子一樣；所謂玻色子也是指其自旋是整數(shù)。 粒子自旋通常都會使它帶有磁矩，這樣它就像一塊小磁鐵，在有梯度的磁場中它就會受力偏轉(zhuǎn)（打到接收屏上后一般都明顯地分為上下兩條曲線，不是連續(xù)的一片）。這應(yīng)該屬于間接測自旋吧。自旋不僅在大小上是固定不變的，它在空間的任意方向上的投影的大小也只能取兩個固定的數(shù)值——±sh'。這兩點都與宏觀物體的旋轉(zhuǎn)大不相同，后者的角動量不論是總的大小還是它在某方向上投影的大小都是連續(xù)可變的，而粒子則是固定的或量子化的。由于粒子沒有“形狀”和“大小”，其“自轉(zhuǎn)線速度”和“自轉(zhuǎn)角速度”都是沒有意義的。 粒子的自旋是除了它的三維外部空間的自由度以外的內(nèi)部空間的第四個自由度，這個自由度上只有±sh'這兩個分立的取值。不像空間坐標(biāo)那樣可以連續(xù)取值。最初是實驗逼得人們認(rèn)識到這一點的，后來狄拉克構(gòu)建了著名的狄拉克方程，這是一個關(guān)于自由帶電粒子的滿足狹義相對論要求——在洛侖茲變換下不變的波動方程，它自動給出了電子的自旋及其分量的分立取值。 量子力學(xué)給出的諸多結(jié)論連同量子力學(xué)本身都是匪夷所思的。玻爾曾說：“如果誰沒被量子力學(xué)搞得頭暈，那他就一定是不理解量子力學(xué)?！睈垡蛩固拐f：“我思考量子力學(xué)的時間百倍于廣義相對論，但依然不明白。”費(fèi)曼說：“我們知道它如何計算，但不知道它為何要這樣去計算，但只有這樣去計算才能得出既有趣又有意義的結(jié)果?！保ㄔ捒赡苡谐鋈?，大意如此） 弱力與強(qiáng)力 一、強(qiáng)力原子核由帶正電的質(zhì)子和中子組成，它們聚集在約10^（-15）m的范圍內(nèi)，為什么質(zhì)子正電荷之間的庫侖排斥力沒有使核子飛散開來呢？那是因為核子之間存在一種能壓服庫侖斥力的強(qiáng)相互作用力――強(qiáng)力或核力。在原子核的尺度內(nèi)強(qiáng)力比庫侖力大得多，但強(qiáng)力是短程力，核子間的距離大于2×10^（-15）m時，強(qiáng)力很快下降消失，核子間的距離在（1-2）×10^（-15）m之間，核力表現(xiàn)為吸引力，小于1×10^（-15）m又表現(xiàn)為斥力，且隨距離的減小斥力迅速增大。強(qiáng)力對維持穩(wěn)定的原子核有重大的作用。二、弱力在基本粒子之間還存在另一種短程相互作用力，弱力的作用距離比強(qiáng)力更短，作用力的強(qiáng)度僅力強(qiáng)力的10^（-13）倍。弱力在β衰變中起重要作用，β衰變中放出電子和中微子，電子和中微子之間只有弱力作用。弱力也存在其它基本粒子之間。 |
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