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第129章基本相互作用

作者:程威灵

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月净威,哈佛大学科学家,道:“电磁相互作用。”

精星灵,曰:“自然界的四种基本相互作用之一。简称电磁作用。即是带电粒子与电磁场的相互作用以及带电粒子之间通过电磁场传递的相互作用。它是自然界的一种基本相互作用。电磁力遵循库仑定律。”

月净威,哈佛大学科学家,道:“外文名electromagneticinteraction。”

精星灵,曰:“简介,自然界的四种基本相互作用之一。”

月净威,哈佛大学科学家,道:“基本概念。”

精星灵,曰:“电磁相互作用。”

月净威,看着周围,的遗迹。

内心产生了,一种恐惧。

哈佛大学科学家,拿出了很多仪器仔细研究,道:“electromagneticinteraction。”

精星灵,曰:“电磁力随距离减小的规律与万有引力相似:当距离增大到原来的2倍时,它们减小到原来的1/4。在强度上它次于强相互作用而居于四种相互作用的第二位。在四种相互作用中,人们对电磁相互作用的基本规律最解。电磁相互作用和引力相互作用是长程力,它们可以在宏观尺度的距离中起作用而表现为宏观现象。宏观的电磁相互作用理论总结在麦克斯韦方程组中,早在19世纪已为人们所掌握。微观的电磁作用理论是量子电动力学,它是麦克斯韦理论与量子力学原理的结合。宏观物体之间电磁力几乎抵消殆尽。”

月净威,哈佛大学科学家,道:“详细解说。在量子电动力学中电磁场是量子化的光子场。光子的质量为零,自旋为1,能量为hv,v是频率。带电粒子可以发射和吸收光子,它们之间的电磁作用通过光子场传递。正反带电粒子对可以湮没而转化为光子,它们也可以在电磁场中产生。量子电动力学是经受了实验考验的成熟的理论。在这个理论中出现一个可以代表电磁相互作用强度的无量纲的量,这里e是电子电荷,с是。α称为精细结构常数,它的值约为0.007297352533,是一个很小的量。在量子电动力学中各种物理量可以按α的幂次作微扰论展开,因此可以作精确的计算。量子电动力学的计算结果与一些高度精确的低能实验见兰姆移位、μ子和电子回磁比有惊人的符合,它也与电子、正电子碰撞等高能量的实验符合。这些结果证明量子电动力学的理论至少在距离大于10cm处是正确的。”

精星灵,曰:“弱相互作用。弱相互作用又称弱力或弱核力(英文:weakinteraction)是自然的四种基本力中的一种,其余三种为强核力、电磁力及万有引力。次原子粒子的放射性衰变就是由它引起的,恒星中一种叫氢聚变的过程也是由它启动的。弱相互作用会影响费米子,即自旋为半奇数的粒子。在粒子物理学的标准模型中,弱相互作用的理论指出,它是由W及Z玻色子的交换即发射及吸收所引起的,由于弱力是由玻色子的发射或吸收所造成的,所以它是一种非接触力。这种发射中最有名的是β衰变,它是放射性的一种表现。重的粒子性质不稳定,由于Z及W玻色子比质子或中子重得多,所以弱相互作用的作用距离非常短。”

这种相互作用叫做“弱”,是因为它的一般强度,比电磁及强核力弱好几个数量级。

大部份粒子在一段时间后,都会通过弱相互作用衰变。

弱相互作用有一种独一无二的特性——那就是夸克味变——其他相互作用做不到这一点。

另外,它还会破坏宇称对称及CP对称。

夸克的味变使得夸克能够在六种“味”之间互换。

弱力最早的描述是在1930年代,是四费米子接触相互作用的费米理论:接触指的是没有作用距离即完全靠物理接触。

但是现在最好是用有作用距离的场来描述它,尽管那个距离很短。

在1968年,电磁与弱相互作用统一了,它们是同一种力的两个方面,现在叫电弱力。

月净威,哈佛大学科学家,道:“又称弱力或弱核力。”

精星灵,曰:“特点唯一能够改变夸克味的相互作用。”

月净威,哈佛大学科学家,道:“性质。弱相互作用有如下的数项特点:唯一能够改变夸克味的相互作用。唯一能令宇称不守恒的相互作用。因此它也是唯一违反CP对称的相互作用。由具质量的规范玻色子所介导的相互作用。这一不寻常的特点可由标准模型的希格斯机制得出。由于弱相互作用载体粒子W及Z玻色子质量很大约90GeV/c,所以他们的寿命很短:平均寿命约为3×10^-25秒。弱相互作用的耦合常数相互作用强度的一个指标介乎10^-7与10^-6之间,而相比下,强相互作用的耦合常数约为1,故就强度而言,弱相互作用是弱的。弱相用作用的作用距离很短约为10^-17–10^-16m。在大约10^-18米的距离下,弱相互作用的强度与电磁大约一致;但在大约3×10^-17米的距离下,弱相互作用比电磁弱一万倍。在标准模型中,弱相互作用会影响费米子,还有希格斯玻色子;弱相互作用是除引力相互作用外唯一一种对中微子有效的相互作用。弱相互作用并不产生束缚态它也不需要束缚能——引力在天文距离下这样做,电磁力在原子距离下这样做,而强核力则在原子核中这样做。它最明显的过程是由第一项特点所造成的:味变。”

比方说,一个中子比一个质子中子的核子拍档重,但它不能在没有变味种类的情况下衰变成质子,它两个“下夸克”中的一个需要变成“上夸克”。

由于强相互作用和电磁相互作用都不允许味变,所以它一定要用弱相互作用;没有弱相互作用的话:夸克的特性,如奇异及魅与同名的夸克相关,会在相互作用下守恒。

因为弱衰变的关系,所以介子都不稳定。在β衰变这个过程下,中子里面的“下夸克”,会发射出一个虚W-玻色子,它随即衰变成一电子及一反电中微子。

由于玻色子的大质量,所以弱衰变相对于强或电磁衰变,可能性是比较低的,因此发生得比较慢。

例如,一个中性π介子在通过电磁衰变时,寿命约为10^-16秒;而一个带电π介子的通过弱核力衰变时,寿命约为10^-8秒,是前者的一亿倍。

相比下,一个自由中子通过弱相互作用衰变的寿命约为15分钟。

精星灵,曰:“弱同位旋与弱超荷。”

月净威,哈佛大学科学家,道:“主条目:弱超荷。弱同位旋T3是粒子的一种性质量子数,决定粒子在弱相互作用下该如何反应。对于弱相互作用来说,弱同位旋的作用跟电磁中的电荷一样,也跟强相互作用中的色荷一样。其他基本粒子的弱同位旋为±/2。例如,上型夸克上、魅及顶的T3=+/2,它们总是会变换成下型夸克下、奇及底,而它们的T3=-/2,反之亦然。另一方面,夸克在弱衰变后,T3永远跟衰变前不一样。就像电荷一样,弱同位旋的两种不同值,大小一样,正负相反。”

精星灵,曰:“介子。弱同位旋是守恒的:反应产物的弱同位旋总和,等于反应物的弱同位旋总和。例如,一左手π+介子,弱同位旋为+1,一般衰变成一νμ+/2及一μ++/2,因为是右手反粒子。在电弱理论的开发后,有一个新的性质,叫弱超荷。它的数值由粒子的电荷及弱同位旋决定:其中YW为某一种粒子的弱超荷,Q为电荷基本电荷单位及T3为弱同位旋。弱超荷是U(1)部份生成元的规范群。”

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