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Archive for June 11th, 2020
11 Jun

力力力力

這篇於 2020-06-09 在臉書發表

說說宇宙四個基本力(force)。

電磁力(electromagnetic)、重力(gravity)、強核力(strong nuclear force)、弱核力(weak nuclear force)。

相信嗎?整個宇宙就只由這四個基本力在粒子間產生的相互作用而建立起來的。

電磁力之前談過了,包括我們所說的光在內的都屬於電磁力。

重力就是我們熟悉的地心引力,在愛因斯坦的相對論裡佔了很大的角色。在相對論之前,毫無質量的光子(photon)是不會受重力影響的。相對論基於等效原理(equivalence principle)改變了這個觀念。在相對論裡,重力彎曲了物體周圍的時空,光子就在這個彎曲的時空運行。

岔開題目說一下,等效原理是指在局限的區域內,重力跟慣性(inertia)是相等的。舉個簡單的例子,當一艘太空船以相等於地心引力 9.8 m/s2 的加速度飛行時,船艙內的太空人分辨不出到底是地心引力還是慣性的作用,兩者之間是相等的(雖然事實上不然,兩者之間還是有差別的,有機會再談)。

再岔開一下,2012年在 CERN 的強子對撞機(LHC)撞出來的『神的粒子』(Higgs Boson)證實了宇宙中所有粒子質量(mass)的來源,而光子和膠子(Gluon,把基本粒子夸克,Quark,結合起來形成質子跟中子的粒子)是兩個對希克斯場(Higgs Field)沒有反應的粒子。

原子是由帶正電的質子(proton)跟帶負電的電子(electron)組成。質子跟中子(neutron)集中在原子核(nucleus)內,強核力是負責把原子核裡的中子與質子困綁在一起。由於質子之間同性相斥,如果沒有強核力,原子核就不能存在,也就沒有所謂的原子,這個世界也就不會存在。但是強核力的有效距離很短,所以影響不到電子,要不然電子會被吸到原子核,這世界也不會存在。而在原子序大於 82(也就是鉛) 的元素裡,由於原子核體積太大,強核力變得比質子之間的電磁排斥力弱,原子核開始變得不穩定。
弱核力比較不容易了解,但它就是碳-14 定年法背後的功臣,也是廣島原子彈,核裂變(nuclear fission),由理論變成日本人夢魘的原因。

弱核力,顧名思義,非常微弱,只能在近距離下作用,比如把中子(neutron)變成質子(proton),這就是衰變(decay)的成因。

弱核力跟其他力有著顯著的不同,它是唯一不遵守CPT(Charge,Parity,Time)守恆定律的力。也就是正負電荷(C)、旋轉方向(P)、時間流向(T)都不對稱。

在華人世界名氣很響亮的兩位理論派物理學家楊振寧跟李政道,就是在 1956 年的論文裡質疑弱核力的 P(宇稱,我想破頭也想不出為甚麽翻譯成這個詞)不守恆而榮獲諾貝爾物理獎。而在 1957 年通過觀察鈷-6(Cobalt-60)的衰變實驗證實這一點的是吳健雄女士,但很可惜卻沒得到甚麽獎項,這令實踐派科學家相當不滿,因為他們總是認為實踐派的功勞比理論派高。

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