目前已知的力有四种——强力、弱力、电磁力、引力。这些力是由不同的规范玻色子——胶子、W和Z玻色子、光子、引力子——来传递的,传递方式是碰撞交换规范玻色子。其中:
- 强力,也称核力或强核力,是使核子结合成原子核的力,由胶子(自旋为1,有8种)传递。
- 弱力,也称弱核力,是粒子衰变过程中的力,会影响所有的费米子,由W和Z玻色子(自旋为1,有3种)传递。
- 电磁力,是带电粒子在电磁场中产生的力,由光子(自旋为1,有1种)传递。
- 引力,也称重力子,是具有质量的物体之间的力,由引力子(自旋为2,有1种,未证实)传递。
帮助理解(来自作者统计归纳),概括性列出一些概念:
强子——是受到强力影响的亚原子的统称,包括重子和介子。
重子——是指由三个夸克及胶子组成的复合粒子,自旋半奇数(费米子),如质子和中子。
超子——是指质量超过质子和中子的重子。
核子——是组成原子核的粒子统称,属于重子。
介子——是自旋为0(玻色子)的复合粒子。
质量从小到大——轻子(基本粒子,费米子)、介子(复合粒子,玻色子)、重子(复合粒子,费米子),超子。
在微观尺度上,强力是最强的相互作用,其次是电磁力,然后是弱力,最弱的就是引力——弱到几乎可以忽略不计。
强力——维系着原子核的稳定,这是构成底层物质结构的基础,过程是夸克之间通过传递胶子产生的强相互作用而结合在一起,形成稳定的复合粒子,即核子,属于重子,也是强子。
弱力——则是复合粒子(如核子)自发衰变的原因,即放射性表现。在衰变过程中,复合粒子会通过交换,即释放或吸收W和Z玻色子(W+带正电荷,W-带负电荷,Z0无电荷),从而衰变成其它粒子。
例如,中子的三个夸克是——“上下下”,质子的三个夸克是“上上下”。自由的中子是不稳定的,它会在负β衰变中通过弱相互作用——其中一个下夸克,释放W-玻色子,成为上夸克,即夸克味变——衰变为质子,接着W-玻色子迅速衰变成,一个电子(β粒子)和一个反中微子。
而这个中子衰变是可逆的过程,在一定条件下,质子会在正β衰变中通过弱相互作用——其中一个上夸克,吸收能量,释放W+玻色子,成为下夸克——衰变为中子,接着W+玻色子迅速衰变成,一个正电子和一个中微子。
来自作者整理归纳:
β衰变——原子核自发地放射出β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变。其中,放出电子的衰变过程称为β-负衰变,放出正电子的衰变过程称为β+正衰变。
负β衰变是——下夸克 = 上夸克 + 电子 + 反中微子
正β衰变是——上夸克 + 能量 = 下夸克 + 正电子 + 中微子
中微子——是轻子的一种(基本粒子),无电荷,无自旋磁矩,接近光速,自旋为1/2(费米子),只有左旋(自旋方向与运动方向相反),质量极小(只有电子的百万分之一)。
反中微子——是中微子的反粒子,与中微子的区别仅在于,只有右旋(自旋方向与运动方向相同)。
由此可见,中子和质子可以看作是同一种粒子(核子)的两个不同的量子状态,它们之间的相互转变,相当于核子从一个量子态跃迁到另一个量子态,在跃迁过程中放出了电子和中微子。而引起β衰变的,正是电子与中微子场,同原子核的弱相互作用,即弱力。
那么,弱力之所以称为“弱”,是因为弱力发生的概率,要比强力和电磁力小几个数量级。也就是说,传递交换W和Z玻色子的发生概率,要远远小于传递交换胶子和光子的概率。而W和Z玻色子中的W是Weak(弱)的意思,Z是Zero(Z0电荷)的意思。
至于,电磁力——是带电粒子在电磁场中,释放和吸收光子,即传递光子所产生的力。在量子电动力学中,电磁场被认为是量子化的光子场,正反带电粒子对可以湮没而转化为光子,同样正反带电粒子,也可以在电磁场中产生。
最后,引力——目前看来,是一种宏观力,在微观忽略不计。而引力子,就是一种假想的规范玻色子(自旋2),就像其它规范玻色子一样,在微观可以通过交换引力子来产生引力——就像其它三种力(强、弱、电)一样。
显然的是,宏观上引力与质量关系密切——成正比,而在微观,粒子质量都极小,所以微观粒子所表现出的引力,都小到忽略不计了。
但如果引力,是来自于引力子的作用,那引力场的吸引力,就不在需要(广相的)时空弯曲来解释,而是可以理解为,引力子和光子之间的互相作用,只不过目前引力子并没有被证实存在。
而假想出引力子,就是因为量子论在各方面都非常成功,完美解释了其它三种力及其作用机制,自然人们就希望量子论可以解释引力——从而可以完美解释自然界的所有四种力(强、弱力、电、引)。于是就引出了——量子引力理论和引力子,但这种理论的数学运算十分复杂且无法自洽。
那微观粒子的质量,到底是从何而来的呢?