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对物理学的思考(十四)
2019-11-12
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——空间中物质的相互作用


物质是在空间中运动的,也就是有物质运动则一定有物质运动存在的空间,有空间也必然有在其内的物质运动。运动物质与空间其二者是相辅相承的。
现在已知宇宙中的物质有两类,一为实物粒子,正是由这些实物粒子组成了宇宙中的万物,形成了我们所见到的一切;另一类为电磁场物质,它虽不被人所见,但它却充斥于全宇宙的所有空间,光就是其波动的结果。
现在所要讨论的实际上是空间中实物质间的相互作用。由于物质间有相互作用,才有了物质间的相互结合聚散,形成了宇宙中形态万千的万物。人为了认识自然、利用自然,也就必然的要认识物质的相互作用,从而使人能生存繁衍,社会得以存在发展。
所谓相互作用,自然是在物质之间发生的,即必然有作用物与被作用物。在相互作用的过程中,当作用物作用于被作用物时,被作用物同时对作用物有一个反作用,且这种相互作用与反作用是大小相等方向相反的,在作用过程中,它们是遵守自然的各种守恒规律的。即在相互作用的过程中物质运动的能量、动量、角动量等等都是守恒的,它们不会无故的消失也不会无故的创生。
在宏观世界里,能显示其作用的只有两种:引力和电磁力。而在微观的粒子则有强相互作用与弱相互作用。且在物理的量子化中,在有效的科研试验对自然界粒子探索后,人们已经发现了电磁力 、强、弱相互作用力的统一存在联系。
引力是所有物体之间都存在的一种相互作用。由于引力常量G很小,因此对于通常大小的物体,它们之间的引力非常微弱,在一般的物体之间存在的万有引力常被忽略不计。但对于一个具有极大质量的天体,引力成为决定天体之间以及天体与物体之间的主要作用。
电磁相互作用包括静止电磁荷之间以及运动电磁荷之间的相互作用。两个点电荷之间的相互作用规律是19世纪法国物理学家库仑发现的。运动着的带电磁离子之间,除存在库仑静电作用力之外,还存在电磁力(洛伦兹力)的相互作用。引力、电磁力能在宏观世界里显示其作用。这两种力是长程力,从理论上说,他们的作用范围是无限的,但是引力与电磁力相比要弱得多。宏观物体之间的相互作用,除引力外,所有接触力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现。这些相互作用力的比较为下表所示:
力的类型 数学型式 适用范围 发生作用距离 力的强度(以强力为1) 传递粒子 传递粒子质量
引力 F=G (M_R  *m_δ)/r^2 r>R
∽∞ 可延伸到无限远 10-38 引力子 不知
电磁力 F=-(Q_1×Q_2)/r^2 r>R
∽∞ 可延伸到无限远 10-13 光子 0
强力 F=-D_1  (Q_1×Q_2)/r^2 r≈R
∽10-15m 约10-13厘米 1 胶子 假定为0
弱力 F=-D_2  (Q_1×Q_2)/r^2 r<R
∽10-18m 约10-16厘米 10-2 中间玻色子W+,W-和Z0 约90Gev
注:其中R为物质所占有的空间范围半径,r为物质间的相互距离,M为物质质量,Q为物质的电磁荷值,G、D为常数。
弱相互作用和强相互作用是短程力,短程力的相互作用范围在原子核尺度内。强作用力只在10-15m范围内有显著作用,弱作用力的作用范围不超过10-18m。这两种力只有在原子核内部核基本粒子的相互作用中,才显示出来,在宏观世界里不能察觉他们的存在。
所有具有质量的物体之间的相互作用,表现为吸引力,是一种长程力,力程为无穷。其规律是牛顿万有引力定律,更为精确的理论是广义相对论。在4种基本相互作用中最弱,远小于强相互作用 、电磁相互作用和弱相互作用,在微观现象的研究中通常可不予考虑,然而在天体物理研究中起决定性作用。按照近代物理的观点,引力作用是通过场或通过交换场的量子实现的,引力场的量子称为引力子。 重力相互作用是作用范围最大的(不会如电磁力一般相互抵销)。但当距离增大,重力相互作用的影响力就会递减。不像其他的相互作用,重力可以广泛地作用于所有的物质。由于其广泛的作用范围,当物质质量为极大时,物质有关的属性以及与物质的带电量有时可以相对地忽略。由于其广泛的作用范围,引力可以解释一些大范围的天文现象,比如:银河系、黑洞和宇宙膨胀,以及基本天文现象例如:行星的公转;还有一些生活常识例如物体下落、很重的物体好像被固定在地上、人不能跳得太高等。
万有引力是第一种被数学理论描述的相互作用。1687年艾萨克?牛顿发现地心引力,进而引伸出万有引力定律,是一个非常好的用来描述通常重力行为的。在1915年,阿尔伯特?爱因斯坦完成了广义相对论,将重力用一种更精确的方式描述--时空几何,并指出引力是空间与时间弯曲的一种影响。
如今,一个活跃的领域正致力于用一个使用范围更广的理论来统一广义相对论和量子力学的大统一理论。在量子力学中,一个在量子引力理论中设想的粒子——引力子被广泛地认为是一个传递引力的粒子。引力子仍是假想粒子,目前还没有被观测到。
尽管广义相对论在非量子力学限制的情况下较精确地描述了引力,但是仍有不少描述万有引力的替代理论。这些在物理学界严格审视下的理论都是为了减少一些广义相对论的局限性,而目前观测工作的焦点就是确定什么理论修正广义相对论的局限性是可能的。
带电物体或具有磁矩物体之间的相互作用,是一种长程力,力程为无穷。宏观的摩擦力、弹性力以及各种化学作用实质上都是电磁相互作用的表现。其强度仅次于强相互作用,居四种基本相互作用的第二位。电磁作用研究得最清楚,其规律总结在麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式中,更为精确的理论是量子电动力学。量子电动力学是物理学的精确理论,按照量子电动力学,电磁相互作用是通过交换电磁场的量子(光子)而传递的,它能够很好地说明正反粒子的产生和湮没,电子、μ子的反常磁矩(见粒子磁矩)与兰姆移位等真空极化引起的细微电磁效应,理论计算与实验符合得非常好。
最早观察到的原子核的β衰变是弱作用现象。弱作用仅在微观尺度上起作用,其力程最短,其强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位。其对称性较差,许多在强作用和电磁作用下的守恒定律都遭到破坏,例如宇称守恒在弱作用下不成立。弱作用的理论是电弱统一理论,弱作用通过交换中间玻色子(W 及 Z 玻色子)而传递。弱作用引起的粒子衰变称为弱衰变,弱衰变粒子的平均寿命大于10-13秒。最早观察到的原子核的β衰变是弱相互作用现象,凡是涉及中微子的反应都是弱相互作用过程。弱相互作用仅在微观尺度上起作用,其力程最短(大约在10-18米范围内,比强相互作用的范围小)。由于弱相互作用比强相互作用和电磁相互作用的强度都弱,故有此名。
弱相互作用的一个特点是对称性低。弱相互作用与电磁相互作用虽然很不相同,却又有相似之处。弱相互作用流与电流一样是守恒的,它们之间还有以对称性相联系的关系。在60年代末提出了弱作用和电磁作用统一的规范理论。标准的弱电统一规范模型与所有低能的弱作用实验结果一致。理论中预言的中间玻色子也已于1983年发现。
最早认识到的质子、中子间的核力属于强相互作用,是质子、中子结合成原子核的作用力,后来进一步认识到强子是由夸克组成的,强作用是夸克之间的相互作用力。强作用最强,也是一种短程力。其理论是量子色动力学,强作用是一种色相互作用,具有色荷的夸克所具有的相互作用,色荷通过交换8种胶子而相互作用,在能量不是非常高的情况下,强相互作用的媒介粒子是介子。强作用具有最强的对称性,遵从的守恒定律最多。强作用引起的粒子衰变称为强衰变,强衰变粒子的平均寿命最短,为10-20∽10-24秒,强衰变粒子称为不稳定粒子或共振态。强相互作用是作用于强子之间的力,是所知四种宇宙间基本作用力最强的,也是作用距离第二短的(大约在10-15米范围内,比弱相互作用的范围大)。核子间的核力就是强相互作用,它抵抗了质子之间的强大的电磁力,维持了原子核的稳定。现在物理学家认为强相互作用的产生与夸克、胶子有关。强相互作用比其他三种基本作用有更大的对称性,也就是说,在强相互作用中有更多的守恒定律。强相互作用不像引力和电磁相互作用那样是长程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程长,大约等于原子核中核子间的距离。
对强相互作用本质的了解长期以来是物理学中的难题。人们曾经提出过许多强相互作用的理论,它们取得的成就都很有限。原因之一是理论中没有小参量,因而找不到可靠的近似方法。人们由强子的夸克模型和规范场的概念出发提出量子色动力学。在这个理论中,强相互作用是组成强子的夸克之间通过一些称为胶子的规范粒子场传递的作用,这个理论有在小距离处作用变弱的性质,它被认为是有希望的强相互作用基本理论。
近代物理的观点倾向于认为4种基本相互作用是统一的,物理学家正在为建立大统一理论、超统一理论而努力。
其实物质间的相互作用只是两种,一种为物质存在空间对物质运动的反作用,另一种为运动物质之间的相互作用。物质在空间中运动,从而使空间发生了变化,如实物粒子就是一个独立的空间系统,实物粒子完全是由空间发生了曲变形成的,这也就是物质运动改变了空间,反之曲变了的空间,对在空间中运动的物质也就必然的有一个反作用,这种作用则表现为物质的引力相互作用。而实物粒子的独立空间系统形成后都是据有电磁性的,这种电磁间也有相互作用,这种相互作用是物质本身所据有的,是电磁相互作用、强相互作用及弱相互作用。 


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草根简介


1938年7月15日生。北京大学毕业,分配到中国工程物理研究院核物理与化学研究所工作,直到退休。研究员。现居住北京海淀区。
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