力 引力子

邓文龙

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力  精选

已有 1691 次阅读 2016-6-27 09:19

个人分类:科普|系统分类:科普集锦

引言：《科学世界》2016年第7期的主打文章仍旧来自大名鼎鼎的村山齐，这次他谈的是自然界的四种基本相互作用力。于是我老人家依旧为这篇大作写了卷首语。这些年我看着与我年纪相仿的村山教授英语越说越棒、口才越来越好、跻身世界级科学家的行列，对他还是非常钦佩的。科学界需要各种英才，能够把最深奥的东西用最显浅的语言讲明白的人，都算大师级的。



正文：力----自然界的四种基本相互作用



为什么月亮得以围绕地球作周期性的运动？为什么携带相反电荷的物体彼此吸引？为什么太阳会发光发热？为什么不带电的中子与带正电荷的质子可以结合在一起形成稳定的原子核？科学家发现，诸如此类的自然现象之所以发生，原因在于其背后隐藏着四种基本的相互作用，它们分别是引力、电磁力、弱核力和强核力。《科学世界》本期推出了主打文章“村山齐博士阐述四种基本力”，旨在探讨支配宇宙万物如何运作的这四种力的典型特性及其相关的未解之谜。

在物理学的早期发展过程中，人们曾以为物质之间的相互作用是直接和瞬时的，即力的传递不需要任何媒介，也不需要任何时间。这种“超距”作用的观点随着狭义相对论的提出而遭到越来越多的质疑。1905年，爱因斯坦建立了超越牛顿力学体系的崭新时空观，他明确指出真空中的光速是一切相互作用（包含能量或信息的传递）传播速度的极限，因此排除了所有物理过程中瞬时超距作用的可能性。1935年，28岁的日本物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa）估算出力的传播子质量M与力的有效作用距离R之间存在一个简单的反比关系：



其中MeV代表兆电子伏，是能量或质量的单位，而m代表米，是距离的单位，并由此预言了在原子核之间传递强核力的pion介子的质量应该大致在100MeV的量级，后者果然在1947年的宇宙线实验中被发现。这是汤川教授发表的第一篇学术论文，但却使他一炮而红，荣获了1949年的诺贝尔物理学奖。

迄今为止，物理学家发现自然界至少存在四种基本相互作用，它们的强度可以用无量纲的数字近似地表征。最强的是强核力，它是短程力，只在原子核的尺寸范围内起作用。强相互作用既可以把夸克结合在一起形成质子或中子，也可以将质子和中子结合起来形成原子核。在夸克层面，传递强相互作用的基本粒子是胶子；但在核子层面，强核力的有效传播者就是汤川教授所预言的pion介子。第二类相互作用是人类最熟悉的电磁力，它是长程力，它的有效作用距离（力程）可以被看作是无穷大，但它的强度要比强核力小上百倍。电磁力的传播子是人们在日常生活中唯一能够切身感受到其存在的基本粒子——光子。弱核力是导致某些原子核发生衰变的超短程力，它的作用距离比强核力小近千倍，而它的强度更是远远小于电磁力的强度。但自然界中强度最弱的其实是引力，尽管它的有效作用距离可以无穷大，但它在原子或原子核的相互作用过程中弱到完全可以忽略不计的程度。给定各种力所起作用的范围，汤川的近似公式可以被用来估算它们的传播子的质量，并由此得出光子和引力子没有质量，只能以光速传播的有趣结论。不仅如此，传递弱核力的三类玻色子的质量大致相近，都在100GeV附近，也符合实验观测。



值得一提的是，有人认为“上帝粒子”希格斯玻色子H所传递的“汤川力”既然可以赋予若干基本粒子以质量，因此它或许可以被当作“第五种力”来看待。但上述基于汤川近似公式所做的估算表明，出现在电弱统一理论中的希格斯粒子确实具有和W或Z玻色子差不多的质量，属于弱核力的范畴。另一方面，在夸克层面上传递强相互作用的胶子没有静止质量，这似乎与汤川的近似公式相矛盾。村山齐博士告诉我们，这是由于强核力具有一种被称作“渐近自由”（asymptotic freedom）的奇特性质，类似于橡皮筋或弹簧：夸克之间的距离越大，彼此的吸引力就越强，强到科学家永远无法分离出单个夸克的程度；而一旦夸克之间的距离趋近于零时，它们就如同自由粒子一样，相互作用变得微乎其微。

同样激动人心的是发生在太阳中心的核聚变过程，后者产生了大量能量，其中一小部分到达太阳表面后，再传递到地球，使得一切生命都沐浴在光和热之中。但若要相信人类无法企及的太阳内部真的发生了诸如此类的奇妙反应，你必须想办法证明核聚变的另一产物——与弱核力相伴而生的中微子——也到达了地球。这正是美国科学家雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）在1968年所做的事情：他发现了来自太阳中心核聚变所产生的中微子，由此揭开了中微子天文学的序幕。

   本文已正式发表于《科学世界》2016.7。




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光子：

http://baike.baidu.com/link?url= ... VaSi5UpUi_83STfvmRK

中微子：

http://baike.baidu.com/view/9474.htm

引力子：

http://baike.baidu.com/link?url= ... FLkZB6tS53FMrlZogOa

邓文龙

同位素 锁定
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具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素互为同位素(Isotope)。
到目前为止，已发现的元素有109种，只有20种元素未发现稳定的同位素，但所有的元素都有放射性同位素。大多数的天然元素都是由几种同位素组成的混合物，稳定同位素约有300多种，而放射性同位素竟达约2800种以上。
1932年提出原子核的中子——质子理论以后，才进一步弄清，同位素就是一种元素存在着质子数相同而中子数不同的几种原子。由于质子数相同，所以它们的核电荷和核外电子数都是相同的（质子数=核电荷数=核外电子数），并具有相同电子层结构。因此，同位素的化学性质是相同的，但由于它们的中子数不同，这就造成了各原子质量会有所不同，涉及原子核的某些物理性质（如放射性等），也有所不同。一般来说，质子数为偶数的元素，可有较多的稳定同位素，而且通常不少于3个，而质子数为奇数的元素，一般只有一个稳定核素，其稳定同位素从不会多于两个，这是由核子的结合能所决定的。
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核裂变 锁定
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核裂变，又称核分裂，是指由重的原子核，主要是指铀核或钚核，分裂成两个或多个质量较小的原子的一种核反应形式。原子弹、裂变核电站或核能发电厂的能量来源就是核裂变。其中铀裂变在核电厂最常见，热中子轰击铀235原子后会放出2到4个中子，中子再去撞击其它铀235原子，从而形成链式反应。
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核聚变
核聚变（nuclear fusion），又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应[1]  。
核是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），只有在极高的温度和压力下才能让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。这是一种核反应的形式。原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。核聚变是核裂变相反的核反应形式。科学家正在努力研究可控核聚变，核聚变可能成为未来的能量来源。
核聚变燃料可来源于海水和一些轻核，所以核聚变燃料是无穷无尽的。 人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出。科学家正努力研究如何控制核聚变。
最简单的核聚变装置如下：先电解水生成氢气和氧气。再把氢气低温压缩成固态氢，置于厚重的水泥封装中。水泥封装内有动力水，冷却水系统。根据四个氢核聚变一个氦核放热原理，需要陶瓷减速棒。可利用核裂变反应在中心点火。最后核聚变会一直进行，根据热胀冷缩原理核燃料体积会减少，加入融化的减速棒即可。动力水要连接蒸汽轮机用来发电。
http://baike.baidu.com/subview/22214/22214.htm
http://baike.baidu.com/view/1413624.htm



Hitoshi Murayama (村山齐教授)在台湾大学畅谈「上帝粒子」征服全场！
当前视频 上传于 2013年10月10日
分类：教育  标签：果壳网MOOC学院诺比尔奖台湾大学村山齐上帝粒子希格斯玻色子
简介：Hitoshi Murayama (村山齐教授)在台湾大学畅谈「上帝粒子（希格斯玻色子）」征服全场！这个视频让你理解2013诺比尔物理学奖

http://www.tudou.com/programs/view/vlF3hrv47oY