基本粒子15︱四種基本作用力和四類基本粒子

這節課本來說要說奇異粒子的,但是我臨時改變了主意,覺得還是把之前提到的四種基本作用力和四類基本粒子做一個小小的總結,這有助於大家理解掌握後面的內容。

好,先說四種基本作用力,你回想一下之前我們都提到過哪幾種力?是不是強作用力、電磁作用力、弱作用力和萬有引力,我們的世界就只有這四種力,你以前知道的什麼推力、摩擦力、支撐力都是電磁力的表現形式。

基本粒子15︱四種基本作用力和四類基本粒子

雖然這四種力都基本作用力,但是他們的作用強度、作用的地方都不同,從四種作用力的名字就能看出來,強力最強,假如它的強度是1,那電磁力的強度的就比他弱兩個數量級,弱力就比他弱10個數量級,萬有引力最奇葩,弱得很不正常,它比強力弱了39個數量級。所以萬有引力很明顯有問題,這也是我們不理解它的一個原因。

好,說完他們的強度區別,我們再說他們分別作用的地方,先拿萬有引力來說,因為這是我們最先理解的一種力,也是最常見的一種力。

基本粒子15︱四種基本作用力和四類基本粒子

很顯然,萬有引力作用在宏觀尺度上,支配著宇宙天體的演化和運動,比如在宇宙的膨脹中,萬有引力就起到了阻礙的作用,在太陽系中,是萬有引力把地球束縛在了太陽軌道上,地球上才有光和熱,才有了誕生生命的機會。

不過,這裡容易有一個誤區,有些人覺得萬有引力不弱啊,它都能把地球束縛住,地球還把我們牢牢地粘在地面上,感覺引力很強啊。

確實很強,因為這是超級多的基本粒子的引力疊加在一起的結果,但是對單個基本粒子來說,它的引力可以小到忽略不計。所以我們在計算基本粒子的作用力的時候,一般都會忽略掉引力的影響。

基本粒子15︱四種基本作用力和四類基本粒子

下面我們說弱力,在前面的文章中我們提到過β衰變、還有π介子的衰變、μ子的衰變過程,這些過程都有一個共同點,其中都有中微子的參與,而且這些過程的作用強度看起來都差不多,所以我們就把這種支配有中微子參與的過程的力稱為弱相互作用力。

電磁作用力我們就非常熟悉了,這種作用力非常的廣泛,不管是微觀、宏觀還是宇觀層面都有電磁力的身影,你看,是電磁力把原子核和電子結合在一起的,也是電磁力把分子結合在一起的,正因為有了電磁力的存在世界上才有了形形色色的物質。

基本粒子15︱四種基本作用力和四類基本粒子

其實說白了,只要是有光子參與的作用過程,都有電磁作用力的存在,我們就簡單的看一個東西,我們就簡單的曬一下太陽,這背後都是電磁力的作用。

那上節課我們還說了,也有由電磁力主導的衰變過程,比如一個π0介子它會衰變成兩個γ光子,這就是典型的由電磁力主導的過程,由於電磁力比弱力強了很多,所以由電磁力主導的衰變過程就發生得比較劇烈,這就是為啥π0介子的壽命要比π+和π-介子的壽命要短了很多。

那根據統計我們發現,假如一個粒子的衰變由主導,那這個粒子的壽命一般會在10^-15秒以上,由電磁力主導的話,這個粒子的壽命會在10^-20秒到10^-15秒這個區間。

弱力

那我們也可以根據一個粒子的壽命來判斷出,這個粒子的衰變是弱力主導的還是電磁力主導的。

基本粒子15︱四種基本作用力和四類基本粒子

最後我們說強力,它之所以很強,是因為他要抵抗質子的靜電斥力,把他們黏在一起,組成各種形式的原子核。

雖然我們理解強力的時間很晚,大約是六七十年代的時候,但是在早期海森伯就提出了一個對理解強力來說非常重要的概念,我們在前提到過就是同位旋,意思就是說質子和中子這兩種粒子在強力面前就是同一種粒子的不同表現形式,唯一的區別就是電荷不同,對應在同位旋空間中,就是質子在同位旋空間中的第三分量上投影是朝上的+1/2,質子是朝下的-1/2。

還有粒子的衰變不光由電磁力和弱力主導,也有強力主導的衰變過程,由於強力最強,所以如果一個粒子的衰變是由強力主導的,那這種粒子的壽命就會超級短,一般會小於10^-20秒。

好,現在作用力大致上就瞭解了這麼多了,那我們現在說,目前我們已經知道的基本粒子都有哪些。

基本粒子15︱四種基本作用力和四類基本粒子

最早的時候我們知道有電子,然後又發現了質子和中子,緊接著我們就發現了電子中微子,由於電子和電子中微子是相關的,他倆還比質子和中子輕,所以就叫他倆輕子,質子和中子叫重子,這是最早按質量分類的。

然後我們又發現了繆子和繆子中微子,以及三個介子π+、π0和π-,由於π介子的質量介於重子和輕子,所以就叫他介子。

但是繆子的質量是電子的207倍,跟π介子差不多,但是他卻被稱為輕子,因此這時候就發現,按照質量分類就不行了。

所以我們乾脆就把所有參與強相互作用的粒子都叫強子,然後在強子下面再分出兩類,一類的自旋為半整數,比如1/2,叫重子,一類自旋為整數,比如1和0,叫介子。

前面我們還說過一個表徵重子的量子數,叫重子數,比如質子和中子的重子數是1,那反質子和反中子的重子數為-1。

表徵輕子的量子數叫輕子數,比如電子和電子中微子,繆子和繆子中微子,他們各自的輕子數都是1,而它們的反粒子的輕子數為-1。

介子,也就是我們現在發現的三個π介子,它們沒有輕子數,也沒有重子數,所以它們在反應中不需要遵守數目的守恆。

基本粒子15︱四種基本作用力和四類基本粒子

上圖就是我們現在知道的這些粒子它們所具有的一些量子數,其中Q是電荷,L是輕子數,B是中子數,I是同位旋,I 是這種粒子在同位旋空間第三分量上的投影的取向

仔細看一下上圖,這些量子數很重要,對於粒子來說這些量子就像是它們的身份證一樣,或者是它們身體的指標。

假如你是光子的話,別人就會問你,你的電荷、輕子數、和重子數是多少?光子說,我都是0 ,假如你是質子,你的電荷就是1,輕子數是0,重子數是1,同位旋是1/2,同位旋第三分量的投影是+1/2。

好了,今天的內容就到這裡。