03.05 四大基本作用力的主要區別是什麼?

科學黑洞


四大基本作用力按照發現時間依次為:引力,電磁力,強力,弱力。主要區別簡單地說有兩點,一個是作用的對象不同,一個是傳遞的方式不同。

(1)作用對象不同:

引力之作用於有質量的粒子,注意這個質量不是靜質量,而是動質量,就是E=Mc^2中的M,和能量等價。也就是說引力可以作用到一切有能量的物質,我們宇宙中一切物質都是有能量的,所以說引力作用到一切物質。

電磁力作用到一切有電荷的粒子,包括電子,夸克,以及它們組成的複合粒子,還有傳遞弱力的W粒子。暗物質就是因為沒有電荷,不參與電磁力,所以不發光。

強力作用到一切有色荷的粒子,包括夸克和膠子。夸克通過強力組成質子和中子,剩餘的強力使質子和中子組成原子核。膠子雖然是強力的傳遞者,但自身也可以通過強力凝聚一起組成膠子球。

弱力作用到一切有弱同位旋的粒子,導致粒子衰變。有趣的是弱力是唯一一個宇稱不守恆的,只有左旋的電子(右旋的正電子),左旋的中微子(右旋的反中微子,如果中微子不是Majorana粒子),左旋的夸克之(右旋的反夸克)之間會產生弱力。

(2)傳遞方式不同

引力通過引力子傳遞(儘管量子引力理論一直沒有實驗證實),引力子和光子一樣沒有靜質量,所以可以作用到無限遠,按照平方反比定律衰減。引力強度非常弱,同樣距離下只有電磁力的10^36分之一,也就是萬億億億億分之一。引力子的自旋為2,是張量場。

電磁力通過光子傳播,符合U(1)對稱性。光子沒有靜質量,所以作用到無限遠,按照平方反比定律衰減。雖然電磁力作用比引力強很多,但是引力可以靠質量積累變得強大,電磁力卻因為電荷中和無法積累。光子的自旋為1,是矢量場。

強力通過膠子傳播。之所以叫強力,是因為它在質子尺度上作用強度是電磁力的一百倍以上。但是強力符合SU(3)對稱性(所以膠子有八種“色荷”),有“漸進自由”的特性,夸克靠的越近,強度反而下降,所以沒有單獨夸克。膠子自旋為1,是矢量場。

弱力通過W和Z玻色子傳播,在質子尺度上作用強度是電磁力的萬億分之一。弱力符合SU(2)對稱性。W和Z玻色子都是自旋為1的矢量場。弱力與電磁力在更高的能量上是統一的,合稱“電弱相互作用”。在較低能量上,因為higgs機制,W和Z玻色子獲得了靜質量,弱力和電磁力分開。

種種跡象表明強力和電弱相互作用在更高能量上也應該是統一的,但是目前理論模型還沒經過實驗驗證,還需要更大的對撞機和更長的時間,這很可能是高能物理實驗的下一個突破點。


九維空間


答:作用距離和作用方式!


四種相互作用分別是:萬有引力、電磁力、強相互作用和弱相互作用。



四種基本力,在作用距離和作用強度上的比較,如下表:



其中,引力始終吸引;而電磁力同性相斥,異性相吸;這使得萬有引力的作用範圍極廣,只要有足夠的質量,引力就能繼續增加。

電磁力的作用強度,雖然比引力強很多,而且作用範圍也是無限的,但是存在排斥和吸引,在宏觀尺度上,電磁力的很大部分相互抵消。


正是以上兩點區別,使得四種相互作用,在不同的尺度下發揮作用。

(1)萬有引力,在大尺度範圍起決定性作用,尤其是天文學上;

(2)電磁力基本主宰著人類所處世界,在生活中,我們能遇到的除重力外幾乎所有“力的作用”,本質上都是電磁力,比如:摩擦力、拉力、推力、粘力、彈力、應力等等;

(3)強力,使質子和中子結合到一起,構成原子核的力,質子帶正電,把質子結合到一起需要克服很大的電磁力,而強力比電磁力強100倍,但是隻有在原子核尺度上有效;

(4)弱力,與原子的衰變有關。




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艾伯史密斯


題主你好。四種基本相互作用的主要區別有幾點可以考慮:

  • 作用距離與耦合常數


  • 規範對稱性

  • 產生機制與作用對象

我所見過一些書籍或者資料,將這四種基本相互作用的區別歸結為“作用距離”,比如說,強相互作用的作用距離為一飛米(飛米是10^(-15)米,下面會提到弱相互作用的作用距離,裡面用到了阿米=10^(-18)米)。而引力相互作用和電磁相互作用的作用距離則是無窮大!其實這種解釋很片面。作用距離僅僅是一方面的差異。

其次要考慮的是耦合常數。耦合常數是相互作用強度的反映。對於四種基本相互作用來說,它們的耦合常數都是隨能量的改變而改變的。在現有能標下,引力耦合常數最弱,而強相互作用最強。以電磁相互作用為137分之一為標誌,強相互作用耦合常數約為100,而引力相互作用是10^(-45)即十萬億億億億億分之一【數據來自於wikipedia】。剩下一個是弱相互作用。很多資料上寫弱相互作用的耦合常數比電磁相互作用低多少多少個數量級。這種說法基本上是錯誤的,因為弱相互作用耦合常數是跑動的,當有效作用距離為一阿米時候,弱相互作用的耦合常數與電磁相互作用的耦合常數一致!但是有效作用距離提升到30阿米時候,弱相互作用比電磁相互作用弱一萬倍!【數據來自於wikipedia和百度百科,二者數據一致。但是wikipedia註明了出處,百度百科沒有註明出處。】

【注意:能標對耦合常數的影響很大。比如說強相互作用的耦合常數在高能標下會小於1,此時我們可以用高能物理學裡面的量子色動力學去計算強相互作用的散射振幅,但是當能標很低的時候,耦合常數變大遠大於1,此時高能物理那套辦法就失效了。對應的則是低能物理學裡面的量子色動力學——其難度遠遠超出高能物理學!另一個對能標變化有明顯反應的是引力相互作用,當能標高到一定程度時候,引力耦合常數會提高几十個數量級!】

接著要說的是規範對稱性,這是四種相互作用的根本性區別。四種基本相互作用的規範對稱性截然不同!引力的規範對稱性叫“微分同胚不變性”,電磁相互作用的規範對稱性叫“U(1)規範不變性”,弱相互作用是“SU(2)規範不變性”,強相互作用則是“SU(3)規範不變性”。很明顯,這是四種截然不同的相互作用!換言之,前面說的什麼耦合常數、什麼作用距離都不是四種相互作用的本質區別。由於規範不變性過於專業,需要對李群論和纖維叢理論有深刻認識才能清楚理解其物理與數學含義。

最後就是,產生機制和作用對象。這是很重要的區別。電磁相互作用的作用對象是電荷,強相互作用的作用對象是色荷,弱相互作用作用對象是夸克味道,引力作用對象是質量——引力荷。


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