〖李学生数理教学研究专栏〗 现代物理学基础的思考 9.7强相互作用与电磁力的关系 李学生 (lixueshenglxs@21cn.com) 上传：2009.05.11 访问365 支持0
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七、强相互作用与电磁力的关系
2007年2月16日，在旧金山举行的美国科学促进会的新闻发布会上，1976年诺贝尔物理学奖得主之一伯顿·里克特，说了这样一段话：“近百年来，物理学家探究物质基本构成的方法，本质上并没有改变，那就是用加速器使粒子束获得极高的速度和能量，用来轰击原子核或基本粒子，观察撞击产生的“碎片”。但随着研究的深入，撞击所需要的能量增加了许多个数量级，建造加速器的费用也增加了许多个数量级。在实验室里用几块金属板拼装出一个加速器就可以使用的时代早已过去，现在的加速器动辄需要上亿甚至几十亿美元，超出了一所实验室乃至一个国家的能力范围。许多加速器因为经费问题而关闭或即将关闭，当前世界最强大的加速器——美国费米实验室的对撞机也不能幸免，即将在2009年关闭”。当前，原子核物理的发展进入了一个令人瞩目的新阶段。由于大型实验装置的兴建和巨大发展，人们已经或即将把正常状态的原子核推向极端条件，如：高速旋转（转动频率高达1020Hz）、超形变（长短轴比达2：1）甚至巨形变（长短轴比达3：1）、奇异形状（梨形、香蕉形等）、反常中子质子比（轻晕核、如11Li、已达8：3）、常温低密（如晕核等）、常温高密（如核天体等）、高温高密（高能核核碰撞产生的核物质、核天体等）、乃至新的物质形态—夸克胶子等离子体。这些新的运动模式和状态下的原子核的发现既对传统的量子核多体理论提出了严重挑战，同时也密切了与其他学科（如：粒子物理、天体物理、凝聚态物理、等）的关系。这些极端条件下原子核状态的发现对核物理研究不仅产生了巨大的冲击，也提出了严重的挑战，并提供了重大机遇，成为当前原子核物理发展的主攻方向。通过对这些极端条件下原子核的研究，可以深化原子核理论的基础知识的认识，并了解极端条件下强相互作用物质的形态、性质及相用机理，发展新的量子多体理论。同时，该方面的研究也有可能对国民经济及国防建设产生重大影响，例如：利用稳定的超形变核态到正常形变核态的退激制造核X射线激光可以使激光器的能量增益成数倍提高。
强相互作用与电磁作用不同的是，它有不止一种电荷（叫色荷）。电磁作用只有一种电荷，当然这一种电荷可以是正，也可以是负；同号相斥；异号相吸。对于强作用，除了同一种“色荷”可以有正负外，还可以有其他种色荷，量子场论关于强相互作用的研究还处于非常初级的阶段，量子色动力学面临的困难，以及各种大统一理论和超统一理论的失败，使我们目前还无法真正确认强相互作用的物理本质。为了解释原子核中稳定的构造，物理学家认为在强子间又存在着一种既不是电磁力，也不是万有引力的强相互作用——核力，并对这种作用提出了种种设想，其中交换力是得到较多认可的。交换力是由于交换中介粒子而在基本粒子之间产生的作用力。设想两个人争夺一个球，那么其结果相当于它们之间产生一种引力。如若他们相互掷抛这个球，则相当于它们之间产生一种斥力。在核子之间相互争夺的这个球就是π介子。现代物理学认为强相互作用只适用于微观世界，可是微观与宏观没有截然的界限，这显然存在着不协调性，而且与宇宙全息统一论的思想不一致。现代物理学认为，核力用一个标量场来描述，这标量场满足真空中的波动方程。按照量子场论的普遍原理，场论不可避免地是和粒子或量子相伴随的，后者的质量为μ=kh/c，其自旋为0，服从玻色——Einstein统计法。传递电磁作用的是光子，是自旋为1的零质量的向量粒子，而传递强相互作用的π介子，却是自旋为0的非零质量赝标粒子。如果用快速α粒子来轰击重核，α粒子可以进入核内形成复核，说明α粒子和原子核接近到一定距离时，除电磁斥力外，还有吸引力的存在，它随距离的变化比Coulom力快的多。核子间的作用力也是一种交换力，中间的交换媒介为π介子。现代物理学认为核力与核子的取向有关。
从表面上看，强相互作用是接触力，表现为短距离，只有在粒子之间发生，同两个粒子所带的 electric charge没有关系，在中子与质子之间，质子与质子之间，中子与中子之间（中子也具有磁矩，电磁质量没有表现出来），这种相互作用力的强度是相同的。现代物理学认为强相互作用把核子紧密地束缚在一起，大约在0.4费米距离时，表现为吸引；距离再小，成为很强的排斥；距离大于1费米就可以忽略不计了。这种力有一部分是非中心力，即其方向并不在相互作用的粒子的联线上。笔者认为现代物理学中的强相互作用、电磁力应当是它们的合力，在10-14cm 的尺度范围，可通过超高能电子与质子碰撞后的散射来研究，实验结果似乎表明电力比预期的要弱。现代物理学的实验证明，Coulomb,s law的使用范围是10-13cm——109cm。空间物理和天体物理的实验和观测表明，在比这更大的尺度范围内，Coulomb,s law或许仍适用。笔者认为在任何范围内，实验观测到的都是它们的合力，与Coulomb,s law都有部分偏差，只是偏差大小不同而已。中性π介子应当没有强相互作用。Hideki Yukawa认为强相互作用通过π介子传递，而它带有 electric charge，正说明了这一问题。强相互作用与电磁力方向相反，可以认为是电磁力的反作用，因此电磁质量不可能消失，正负 electric charge中和是消失的只是其空间量子形式。每一种力都有自己的反作用，这是矛盾着的双方，是由对称的绝对性所决定的；根据对称的相对性，它们的变化规律不同，例如分子的引力与斥力是相互对立的，只是变化规律不同，电磁力与强相互作用是它们的微观机理，因此它们应当如此。
强作用力存在于夸克之间，它是原子核内起维系作用的力量，它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。夸克之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以至于它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象叫作“渐近自由”，即渐近不缚性。与此相反，当夸克之间的距离越大时，强作用力就越强。有人认为夸克之间越接近，强作用力越弱，是由于进入凝聚态，色电、色磁耦合削弱了强相互作用之故！此时也不是单个夸克的自由活动，而是无色的夸克对或环的自由活动，而且适用玻色统计。色胶子和夸克在极度接近时（此时它们具有极高的能量和色温）发生色电、色磁耦合，表现为吸引，强相互作用极大地削弱！而将色电、色磁耦合的色胶子和夸克分离需要极大的能量，这就是“夸克禁闭”和电子极难粉碎，无法观测到单独的夸克和胶子。没有达到极度接近时（例如大于11倍普朗克尺度——11LPL），要想使粒子能进入11LPL尺度附近或之内，就要给粒子以足够的动能（使之具有极高的能量和色温），这就显示着越接近，强相互作用为强斥力；而更远距离，核力又显示着微弱的吸引力（弱相互作用）美国的三位物理学家因为研究这个问题荣获2004年诺贝尔物理学奖金.笔者认为此时应当是电磁力与强相互作用的合力. 《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义的９７个悬而未决的难题：７３．自由夸克能否直接在实验中被发现？
强相互作用同液体分子之间的力很相似，并且就象液体的情形那样。尽管这种力能够防止各个粒子完全离开，却并不妨碍它们发生相对位移，因为它们之间同时存在电磁力。因此原子核物质就具有某种程度的流形，它在不受到任何外力的干扰时，总是像普通的水滴那样呈球形。最近在美国Jefferson实验室进行的结果显示，质子不一定总是球形的。在该实验室的一项新的实验中，科学家们将电子在耽搁的质子（氢原子核）上的散射与在氦核上的散射做了比较，表明这两种核以不同的方式“捏塑”它们所包含的质子，使质子内的夸克有时会蔓延出来一些，或使质子成为像花生那样的形状，尽管其平均形状还是球形的。【1】许多生物大分子（如DNA）虽然具有相同符号的电荷，但却能相互吸引并在水中聚集成团，称为丛生现象。科学家们认为丛生现象的产生一定是由于某些溶于水中的离子或带电小分子抵消了大分子的电荷所形成的，但却不能破解其中的机理与细节。最近美国的生物物理学家G.Wong和他的同事们对同种电荷相互吸引进行了一些简单实验后发现，想使同种电荷发生相互吸引必须要在离子大小的范围内才有可能。【2】笔者认为这两种现象都是强相互作用的表现形式。基本相互作用并不是汤川型强相互作用,现代基本粒子相互作用是用规范场描述的,汤川型已是过时的东西。
电磁力与强相互作用互为反作用力是对称的绝对性的表现形式，其变化规律不同是对称的相对性的表现形式，进一步说明了对称的绝对性与相对性原理的正确。
附录1：《自然》：最新研究证实存在物质—反物质分子
作者：任霄鹏 来源：→ 科学网 www.sciencenet.cn 发布时间：2007-9-13 15:38:27图片说明：超高真空室靶室。在这里，正电子被射入多孔石英膜。
（图片来源：David Cassidy, UC-Riverside）
美国科学家的一项最新研究，找到了物质和反物质结合的确凿证据。在9月13日《自然》杂志发表的一篇论文中，加州大学河畔分校的David Cassidy和Allen Mills表示，他们发现了两个电子偶素（positronium，简写为Ps）可以相互结合，形成分子电子偶素Ps2（molecular positronium）的确凿证据。
所谓电子偶素，其实就是一对正电子（positron，电子的反物质形态）和电子形成的原子。由于正电子和电子的电荷差异，它们很容易发生吸引，相互结合。从理论上而言，电子偶素原子（即电子—正电子对）之间也能够相互配对，形成Ps2分子，这就好比两个氢原子形成H2。由于正电子的质量只有质子的1/1836，因此电子偶素分子的质量也比H2分子要轻得多。
然而，Ps2有着不同寻常的一面。加州大学圣地亚哥分校的物理学家Clifford Surko表示，与普通原子可明确描述的结合不同，这四个粒子好像“在围绕彼此跳着欢快的舞蹈”。
Ps2分子难以被发现的一个重要原因是物质和反物质在极短的时间内结合并发生湮灭，以伽马射线的形式释放出能量。在实验室中，Ps原子在自我毁灭之前的存活时间仅有不到百万分之一秒。
不过，Cassidy和Mills发现，只要他们能捕获足够的Ps原子，其中的一些就可以在消失之前发生结合。利用Surko开发的一种技术，研究人员制造出了一束正电子流，并将它射入多孔的石英薄膜中，试图让正电子与电子结合，并制造出Ps2。研究人员估计，两个Ps结合形成分子的几率约为十分之一。（参见更多阅读2）
科学家的进一步研究验证了两个事实。Ps2中电子—正电子的湮没速度比单独的Ps原子更快，这是由于结合成分子后，电子和正电子碰撞几率更大。此外，在温度较低时Ps混合原子结合成分子的比率更大，因为低温让分子更加稳定，而随之释放出的伽马射线也更加强烈。
新的研究将为解答一些最复杂的物理学基本问题带来希望，比如为什么宇宙中物质比反物质多得多（宇称不守恒）。而Mills等人也已经确立了一个实际目标，即制造大量的Ps2分子，利用湮灭释放的高能伽马射线来创造激光。（科学网 任霄鹏/编译）
这一段报道可以看作是反引力的一个重要的实验例证：试想，如果正负电子对（电子偶素）之间的万有引力是正引力——吸力，那么，它们间的电磁相互作用也是吸力，这只能使它们进一步接近，而越接近这种吸引力将越发强大，而且，随之而发生的弱作用力和强核力也是吸引力，这只能使正负电子对单调地接近，复合而湮没为γ光子，不可能有机会暂时稳定为电子偶素分子！正是正负电子对（电子偶素）之间的万有引力是反引力——斥力，而且，由于其间的电磁场很强，因而其间的光速会很低，这样引力耦合系数G会大得多，从而它不会是电磁耦合系数的10-36倍，这样，反引力会抗拒电磁吸力，使之有机会暂时稳定为电子偶素分子！正、负电子不仅绕共同质心旋转，并在其相对平衡位置处振动，一旦它们接近到弱作用力和强核力吸力发生作用时，这种平衡被打破，正、负电子耦合，湮没为γ光子。所以，Ps原子在自我毁灭之前，有一段短暂的存活时间！
参考文献：
【1】《物理》第32卷12期89页 2003年北京
【2】《物理》第32卷11期 2003年北京
