弱力如何控制放射性衰变?为什么我们通常不提这种力的作用方式?

发布网友 发布时间：2024-08-12 20:01

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热心网友 时间：2024-08-13 03:12

四大基本力即自然界的4种基本力，其中包括：强核力、弱核力、电磁力以及引力。

科学发展的终极目的就是希望能描绘一幅精确的宇宙图景，这其中包括从最小的亚原子粒子到可测量的最大尺度。而宇宙中除了物质以外，更重要的是作用于这些物质上的四大基本力。我们经常会说强力、电磁力、引力的作用方式，它们有排斥和吸引，但说到弱力上，我相信你除了听说它控制着原子核的衰变外，没有听说过它跟力有什么关系？今天我们着重说下弱力！

我们对四种基本力的理解

通常我们对四种基本力的描述如下：

引力作用于任何具有质量、能量或动量的物体上。这是由于空间弯曲产生的一种力或者说是引力子在量子水平上的交换，引力只会表现出吸引力，它影响着宇宙中的一切。

电磁力作用于任何带电荷的粒子。同种电荷相互排斥，相反的电荷相互吸引，电磁力由光子来介导。可以发生在无限远的地方，但中性物质对此力无感。

强力作用于任何带有色荷的粒子，带色荷的粒子仅是夸克和胶子。强力将单个夸克以重子（如质子或中子）和介子的形式束缚在一起，并将原子核结合在一起。强力只能在很短的距离内发生作用，对于颜色中性的束缚态会迅速消失。

而弱力制约着放射性衰变。由w和z玻色子介导，作用距离比强力还要短。

在我们通常的描述中没有对弱力相互作用的描述，它是吸引还是排斥？换句话说，当我们说到弱力时，它会不会不是一个真正的力？

现在我们在回想下...，弱力是一种力吗？

对于我们可以测量的粒子，力的作用会导致粒子的动量随时间发生改变，这就是我们日常经验中的加速度。

对于前三种力，它们的作用方式很直观，引力把所有东西往下拉，电磁力要么排斥要么吸引，强力把夸克和原子核束缚在一起。下面再详细的讨论下。

在经典（非量子）引力理论中，总能量（主要是质量，但也包括所有形式的能量）导致时空发生扭曲，而宇宙中的每一个粒子的运动也会因时空的弯曲而改变。

关于引力可能还有一个更基本的理论，也就是量子引力理论，在这个还未被证实的理论中，由于引力子可以在质量或者能量之间互相交换，使得宇宙中的每一个粒子都能感受到引力的存在。

再说其他力的时候，请记住以下三点：

每一种粒子都有一种特性，或者说是它们固有的某种性质，使它们能够感觉到（或感觉不到）某种力。

而那些介导（携带）力的粒子，与具有正确属性的粒子相互作用来传递力或体验力。

作为相互作用的结果，粒子感受到力以后动量会发生改变，或者用通俗的说法就是加速。

下面再看看其他的力。

在电磁力中，基本的属性是电荷。与引力不同，电荷可以是正的，也可以是负的，光子可以在电荷之间传递作用力，使同类电荷相互排斥，使反向电荷相互吸引。

同样值得一提的是，移动的电荷或电流，可以产生电磁力的另一种表现形式：磁力。这种现象也适用于引力，称为引力磁学，也就是说质量或能量物体在引力场中运动时，会产生引力波或引力辐射。这一点没有必要深入讨论，但是我们应该记住，不仅有电荷和力的载体，还有电流（移动电荷产生的电流）。

在强力中，有三种基本类型的色荷，关于它的作用方式，以及胶子如何传递强力，想了解的话可以戳这里夸克为啥不能自由存在？我们能否将夸克分离出来？。

在宇宙中所有的粒子都含有能量，因此都受到引力的影响，而夸克、一半的轻子（e－、μ－和τ－）和一对玻色子（W玻色子有两个，分别带正、负一个电子的电量）都含有电荷，因此可以感受到电磁力，只有夸克和胶子含有色荷，并能感受到强核力。

由于宇宙中物体的质量比较大，因此引力很容易观察到。由于强核力和电磁力非常强，因此它们也很容易被观察到。

但是最后一个力呢？弱力？

每当我们谈论弱相互作用的时候，只会说某种类型的放射性衰变。这些放射性衰变会让一个重夸克或轻子衰变为更轻更稳定的夸克和轻子。例如上图构成中子的一个下夸克释放出一个W?玻色子，衰变为质子。弱力确实控制着这一过程，但这听起来不像其他力的描述一样！

但事实证明弱力实际上就是一种力，我们只是不经常听说它以传统的方式运作，原因是因为它太弱了！由于放射性衰变通常会涉及到带电粒子，就使得弱力在电磁力面前显得非常渺小，即使在一个质子的微小尺度上，电磁力也要比弱力强1000万倍。

带电粒子无论运动与否总有电荷，但它产生的电流取决于它相对于其他粒子的运动。正是电流定义了磁力，磁力和电磁学中的“电力”的部分一样重要。像质子和中子这样的复合粒子，和基本的电子一样，都有固有的磁矩。

夸克和轻子还各有六种不同的风味：上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及顶（t），电子/电子中微子、μ子/μ中微子、τ子/τ中微子。虽然每一个夸克和轻子都带一个电荷（中微子是零电荷），但它们也有一个与之相关的味道属性。这些粒子可以通过传递弱力的w和z玻色子，在各种味道之间发生转变，但由于这些粒子也带电荷，因此也受电磁力的影响。

如果我们将电磁力和弱力统一起来，创造一个更基本的电弱相互作用力，然后每一个粒子都得到了所谓的弱电荷或电弱电流，以及一个弱耦合常数。这些都是标准模型预测出来的细节，但却难以测试，主要是因为电磁力太强大了！

但就在2013年，实验小组发现了上夸克和下夸克之间的（无量纲）弱耦合，我们第一次成功的测量了弱力的存在和影响。但与电磁力的影响相比，弱力的强度只有千亿分之一！

所以确实存在有一个与夸克和轻子有关的弱电荷，我们不谈论它的原因是因为弱力难以测量。但无论如何我们测量出了弱力的影响，也确定了标准模型的预测是正确的！