浅谈基本粒子和四种力

浅谈基本粒子和四种力

肖书源

(华中师范大学物理科学与技术学院 2008级物理学基地班，430079)

摘要：宇宙是和谐而统一的，人类在这个理想准则下不断探索着科学的终极。本文延续了物质和力的分法，回顾原子及内部结构的发现，介绍了现今科学界对基本粒子及四种力的描述，和一些前沿的理论。

关键词：基本粒子万有引力电磁力强相互作用力弱相互作用力

一、基本粒子的发现

宇宙中的万物是由什么组成的，又是如何相互作用的，这是从古希腊至今人类都在追寻研究的神秘课题。由于实验条件的不足（更根本的说法是社会生产力的不足），早期的自然科学尚未从哲学体系中分离出来，关于以上两个基本课题，结论往往都建立于凭空的个人哲学体系：亚里士多德认为物质是连续的，人们永远不可能得到一个不可再分割的最小颗粒；而德谟克利特则认为每一件东西都是由不同种类的大量原子组成（希腊文中的原子意即“不可分割的”）。两种观点对立，但任何一方其实都没有任何实际的证据（可以直接观测和操纵原子的扫描隧道显微镜直到上个世纪80年代才被发明）。争论因此一直持续了若干个世纪。

到了1808年，英国化学家、物理学家约翰·道尔顿通过严谨的实验和测量，正式提出了原子学说：化学元素由不可分割的微粒——原子构成，它在一切化学变化中是不可再分的（直到现在，我们的中学课堂上仍是这样教授的）。然而，人类探索的欲望是无止境的，原子是不可分的吗？存在更基本的粒子吗？

首先是汤姆孙从实验上确认了电子的存在，而后在1911年卢瑟福的α粒子散射实验证明原子内部的核式结构。他用带正电的α粒子流轰击金箔，发现绝大部分α粒子几乎没有偏转地打到对面，极少数的α粒子却有大角度的偏转，个别的呈180°角被直接反弹回来。这说明原子是由一个极其微小的带正电的核以及围绕着它运动的一些电子组成。到了1932年，卢瑟福的学生查德威克发现了中子，又揭开了原子核的面纱。到此，人类已经确定曾经被认为不可分割的原子由质子、中子和电子构成。质子、中子和电子又成为我们所认为的不可分割的基本粒子。

这种情况持续了30年左右。1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G·茨威格各自独

立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克（Quark）组成的。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2，这打破了之前认为任何带电体的电荷量都是基本电量e的整数倍的观念。“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根守灵夜》（Finnegans Wake）中的诗句：“向麦克老大三呼夸克。”（Three quarks for Muster Mark！）。夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声，盖尔曼于去年来我校访问，期间去东湖观鸟，爱鸟之情显露无遗，所以我相信这种解释是合理的。

从上世纪60年代开始，到1995年，一共有6种类型的夸克被发现。出于丰富想象力的命名，分别称作6种“味”，上（up）、下（down）、奇（strange）、粲（charm）、底（bottom）和顶（top）。一个质子包括两个上夸克和一个下夸克，一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。

夸克的提出和实验发现再一次更新了我们对基本粒子的定义，物理学家仍然在不断追寻更加基本的粒子。进入了原子内部结构层次，由于光波波长比原子的尺度大得多，我们不可能再以通常定义的“看”来观测。量子力学的波粒二象性告诉我们，所有的粒子都是波动，粒子的能量越高，对应的波长越短。所以，我们能够“看”多小的尺度，取决于我们能得到多高的粒子能量，如果我们用更高的能量，也许就会发现更微小更基本的粒子，这也是不断建设具有更高能量加速器的原因（现有的大型加速器比如LHC、RHIC…）

根据已有实验现象作出理论假设，再在实验中验证假设，是物理学不变的前进思路。

二、四种力的描述

另外一个问题，开头提到的，物质是如何相互作用的。现有的理论又是怎么样解释的呢？

答案是力。亚里士多德说力是物体运动的原因，这是来源于生活的观察，但他忽略掉了摩擦力，使得这种理论是不正确的；而后，伽利略的实验，以及牛顿集大成的三大定律告诉我们，力不是使物体运动的原因，力是改变运动状态的原因。以上都是生活中常见的动力学宏观现象里出现的力，还有更多的常见力，譬如：和毛皮摩擦的金属棒能吸引细小的纸屑，这是静电力；磁铁能够吸住铁器，这是静磁力；宇宙中行星围绕恒星以固定的周期转动，这是万有引力；人能够稳定生存在地球上，而不是随意被甩入太空，这是重力（准确的说，重力是地球对人的万有引力的一个分量）。这些随处可见的力让宏观世界极有规律的运转至今。

就如人类对探寻基本粒子的不懈追求一样，进入微观世界后，关于“力”的定义也在不断被更新着：存在于大多数基本粒子之间的弱相互作用力和存在于原子核内的强相互作用力在20世纪陆续被发现。时至今日，力被划分为四种，分别是万有引力、电磁力、弱相互作

用力和强相互作用力。关于它们的本质，也远不是宏观世界里想象的“无形的力”所能一言以蔽之的了。量子力学的解释是存在着携带力的粒子，通过相互的碰撞、吸收来实现力的作用。下面分别进行讨论。

首先是万有引力，一切粒子都因它的质量/能量而具有吸引其他粒子的力。这是一种非常弱得力，学过电磁学知识的同学都会知道，在两个点电荷之间，库仑力是万有引力的N 倍，一般在讨论粒子间的作用时甚至可以忽略掉引力。但引力有2个特别的性质，又不得不让我们特别关注：①它可以作用到几乎无限远的距离上，即它是长程的；②它总是吸引的。另外三种力或者由于是短程的，或者由于时而吸引时而排斥，所以它们倾向于互相抵消。万有引力成为宇宙中最主要最核心的力。关于万有引力的本质，量子力学认为引力是由于称作引力子的自旋为2的粒子所携带，它本身没有质量，所以携带的力是长程的；而在与量子力学至今不“兼容”的广义相对论那里，我们可以得到另外一种解释，它来源于存在质量对时空的扭曲。这个争端至今也没有定论。

第二种是电磁力，它在原子、分子的小尺度下起主要作用。简单的说，电子绕原子核运动，即电子云，正是由于带负电的电子与带正电的原子核之间的电磁力作用。早先的静电学和静磁学由英国科学家法拉第统一起来，得到电磁感应定律，证明电和磁可以相互转化，而后麦克斯韦在其中加入光学，统一为电磁场理论。现在，人们将电磁力描绘成是由于称作光子的无质量的自旋为1的粒子所引起的。而且，这里所交换的光子是虚光子。

第三种成为弱相互作用力。它制约着放射性现象，并只作用于自旋为1/2的物质粒子，而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用。大多数基本粒子通过弱相互作用力结合。1967年伦敦帝国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格提出了弱电统一理论，认为除了光子，还存在其他3个自旋为1的被称作重矢量玻色子的粒子，它们携带弱力。它们叫做、和，每一个具有大约100GeV的质量。

第四种是强相互作用力，原子核内的粒子通过强互作用力结合：它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。一般认为，称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强互相作用力。

有一种统一的观点认为，这四种力是一种力的不同表现形式。打个比方，一个在三维空间运动的物体，如果我们在二维平面（XoY、YoZ和ZoX）观察，会得到三个不同运动状态的描述；然而在三维空间，三个描述统一为一个，也即二维平面得到的三个不同描述均为三维空间描述的一部分。同理，我们作出一个假设：万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力均为一种力在不同层面的表述，所以，和探寻基本粒子的道路中出现的瓶颈一样，我