如果你要问物理学是做什么的?可能有人会这么回答你,
物理学是一门研究物质和作用于物质之间的力,以此来理解自然现象的学科。
如果你是个喜欢问“为什么”的人,那很有可能接下来就会问“力是什么?”
其实这在经典物理学是一个很终极的问题,最早给出关于“力”的定义的是牛顿。
他在《自然哲学的数学原理》当中,做了大量的定义,第一个是定义了质量,而第二个定义的就是“力”。他认为:
力是改变物体运动状态的原因。
如果没有力的作用,物体原来啥样,之后还啥样。如果有力的作用,物体的运动状态就有可能会发生改变。
这其实看起来并没有什么问题,但随着时代的发展战,科学的进步。科学家逐渐发现,这样的定义并不完整。我们来举个例子,比如:铯-137在弱力的作用下,发生衰变,原子核内一个中子转变为一个质子,并且释放出β射线。
在这个过程中,力哪只是改变了粒子的运动状态,直接把粒子的种类都给改了。也就是说,科学家发现了之前关于“力”是有局限性,尤其用在微观世界当中。
场所以,科学家就在思考,
力到底是如何在物质之间发挥作用的呢?
其实,他们当时就有了一个很好的备选答案:场。
我们也领教过这个东西,如果我们拿一些铁屑撒在磁铁附近,然后就会出现下面这样的场景:
这种现象你一定很熟悉,我们亲切地叫它:磁场。它不见,也摸不着,但我们能确认它是存在的。磁铁说白了就是通过磁场来传递磁力。其实,电学也是这样的,电学中的那些现象说白了都是通过电场来实现的。
麦克斯韦还提出过麦克斯韦方程,统一了“电”和“磁”,他发现这两样东西其实是一回事,并预言了电磁波。
而在电磁学中就和牛顿的理论有很大的不同,在套理论,“力”和“场”是有关系的,说白了就是电磁场在传播电磁力。
那到底是什么是“场”呢?其实,我们也很难说得清楚,但我们知道一点,那就是电磁场的等势面很像地理里的等高线,在不同的等势面上,作用的效果是不同的。
所以,“场”被定义为:
特殊数值的各处的集合。
这里的特殊数值的各处其实就是一层层的等势面,也就是说“场”的定义就是等势面的集合。
粒子物理标准模型
对于现代物理而言,“场”这个概念实用性更广,更能解释各种物理现象。在上个世纪,科学家通过轰击微观粒子的方法,找到了100多种粒子。
当时摆在他们面前的是四大作用,也就是引力,电磁相互作用,强相互作用,弱相互作用。那它们和粒子有什么关系呢?是不是跟“场”也存在什么关系呢?
这要从“光的波粒二象性”说起,在上个世纪初,科学家发现光子具有波的特点,也具有粒子的特点。这两个特质本来是相互矛盾的,结果没想到在同一个东西上体现了出来。而光的波粒二象性的大战,其实从牛顿时期就开打了,到了二十世纪初已经是第三场巅峰对决了。
在这第三场巅峰对决中,普朗克提出了“量子”的概念。他假设了光的能量中存在最小的单位(量子),也就是说能量不是连续的,能量的变化是离散的,这也就体现出了光具有粒子性的特点。
后来,爱因斯坦就是利用普朗克的理论解决了光电效应。但我们也知道,作为波,光是具备有波长的,每粒光子的能量完全取决于光的波长,波长越长,光子的能量也就越小。进一步,我们可以推出,光子数量特别多的时候,光是可以表现出具有连续性的波的特点,反之,光子的数量很少时,则表现出离散的粒子的特性。
我们也知道光其实是一种电磁波。于是,科学家就提出,
电磁场发生变化时产生的电磁波,说白了就是光子在传播。
也就是说,传递电磁作用(力)的其实是光子的往来运动。
所以,电磁场的变化说白了就是大量光子聚集在一起引发的现象。从这个思路出发,科学家结合了量子力学和狭义相对论,提出了量子场论,并构建了粒子物理标准模型。
在这套理论中,他们粒子分为了两种,一种叫做费米子,比如:夸克,电子。还有一种叫做玻色子,比如:光子,胶子。那它们的区别是什么呢?
费米子,我们可以理解成构成物质的粒子。
玻色子,我们可以理解成影响场变化的粒子。
也就是说,如果我们有一把神砍刀,然后把一样东西无限砍下去,最后得到的其实是一坨费米子。然后这个时候你想把它们再粘起来,那你就要用玻色子来帮忙了。
因此,其实强相互作用,弱相互作用的传递也是依靠玻色子。
强相互作用是用来把夸克束缚在一起的作用,传递强相互作用的是胶子。但其实存在一种介子,它们是用来把质子和中子束缚在原子核内的,这种力也叫做核力,也是强力的一种。所以,我们也可以认为强相互作用保证了能够构成原子核。
弱相互作用和衰变有关,也就是原子核内的粒子的变化。由于它的存在,才使得电子和质子不会发生反应变成中子。
而中子变成质子和电子需要弱相互作用的。传递弱力的是W玻色子和Z玻色子。我们可以认为,弱相互作用是保证了电子不会进入到原子核的原因。
至于电磁力,传播电磁力就是光子,它也是一种玻色子。由于电磁力的存在,使得原子得以保全,这是因为原子核和电子就是依靠电磁力来维持的,而两个原子不会合并到一起,其实也是依靠电磁力来实现的。所以,我们也可以认为,电磁力保证了原子的存在。
所以,实际上传播强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用的玻色子就像粘合剂一样,构造出了整个微观世界。
至于引力,很遗憾,科学家现在还没有办法把引力纳入到粒子物理标准模型的体系中。主要有两个原因。第一,广义相对论对于引力的解释力实在太强,太精准了。第二,科学家并没有找到传递引力的“引力子”。
也就是说,粒子物理标准模型实际上是统一了四大作用中的三个作用,分别是强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用,而利用的就是“场”和“粒子”来实现的。
那强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用具体是如何通过玻色子来实现传递呢?
我们之后再详细介绍。
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