主宰宇宙的力

主宰宇宙的力

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作者/大栗博斯

美国加州理工学院理论物理讲席教授,理论物理研究所(burkeinstitute.caltech.edu)所长,日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构(Kavli IPMU)研究主任。东京大学理学博士,发现了量子场论与超弦理论的深层数学构造,其研究曾获得美国数学学会大奖(2008年)、德国洪堡研究奖(2009年)、日本仁科纪念奖(2009年)、日本数学学会詹姆斯•西蒙斯奖(2012年),《超弦理论:探究时间、空间及宇宙的本原》获得2014年日本第30届日本讲谈社科学出版奖。著有前沿物理科普三部曲《引力是什么》《强力与弱力》《超弦理论》,数学入门科普《用数学的语言看世界》等。


微观世界中,作用于物质间的主角是三种“力”。整个自然界便是由这三种力再加上引力共四种力来维持运行的。在这四种力中,引力可能是我们最熟悉的。另外,对于理解宇宙而言,引力也是至关重要的线索。我在《引力是什么:支配宇宙万物的神秘之力》(人民邮电出版社,2015年11月)当中,讲解了关于引力的最新研究情况。

但是,在基本粒子的世界中,主角是电磁力、强力和弱力这三种力。

我们也能在日常生活中感受到上述三种力中的电磁力。在人们的认知里,它原本分为电力和磁力。19世纪的物理学家将这两种力统称为电磁力,从此人们便将它们作为一种力来理解了。无论是干燥冬日里的静电,还是磁铁相互吸引的现象,都是源于电磁力的。原子聚拢构成分子,分子聚拢构成物质,我们日常生活中所接触的各种物质都是因电磁力而形成的。桌子很坚硬,椅子可供人坐,这都是因为电磁力将桌子和椅子中的分子聚拢在了一起。如果没有电磁力,就连我们的身体也会变得四分五裂。

那么,剩余的两种力又在何处发挥着怎样的作用呢?

“强力”与“弱力”的名字本来就不像专业术语,所以可能会有人认为它们不是作用于微观世界的特殊的力。例如,人们当中既有臂力超群的强者,也有耐力很差的弱者……所以说,任何力都有强弱可言。

但是,“强力”与“弱力”并不是如此含义模糊的词语。虽然它们因一个比电磁力强、一个比电磁力弱而被粗糙地命名,但是任何一方都是作用于微观世界中的力,都是伟大物理学的术语。英语中也分别称之为“strong force”与“weak force”,“强力”与“弱力”的名称就是直译过来的。

为了理解伟大的新发现——希格斯玻色子的意义,我们也有必要了解这两种力。希格斯玻色子原本是科学家在努力研究强力和弱力作用机制的过程中预言会存在的粒子。我认为通过理解这两种力,可以透彻地理解标准模型,也能够体会发现希格斯玻色子的意义。

射线和地震都涉及“弱力”

当媒体报道发现希格斯玻色子的新闻时,可能会有很多人认为“这件事与自己的生活没有任何关系”。但是,与希格斯玻色子有关的弱力,并非与我们的生活没有关系。它虽然不像引力和电磁力那样能被我们感知,却给我们带来了巨大的影响。

射线的产生

2011年3月11日发生的东日本大地震引发了福岛第一核电站的核事故,放射性物质带来了波及范围广且影响严重的污染,释放出的放射性铯大概相当于广岛原子弹爆炸的168倍。这里产生射线的原因就是弱力。

特别是铯137的原子核,是由55个质子和82个中子组成的。在原子核中,质子与中子的数量平衡是相当重要的。由于铯137的中子比质子多很多,所以它很不稳定。因此在弱力的作用下,中子会变身为质子,使原子核转为稳定。

你或许认为,力的作用能够改变粒子类型是件很奇妙的事情。我们在学校的理科课上所学的“力”是使物体运动状态发生变化的东西。日本文部科学省的中学学习指导大纲中这样写道:“只要有力作用于物体,我们就会发现该物体发生变形或开始运动,抑或运动状态发生改变。”但是,力的作用不仅仅能够改变物体的形状和运动状态。

例如,当我们说“语言的力量”和“艺术的力量”的时候,没人会想到它们能改变物体的运动状态吧?这些力改变的是理解它们的对象的思维和心智。另外,最近的经管书籍和自我启发类书籍的书名出现了《拒绝力》《倾听力》《烦恼力》等各种各样的“力”,这些力改变的也不是物体的运动状态。我想它们主要是指自己和对方的心理状态。阅读了那么多改变人心理状态的“力”型书籍,对于弱力把中子变成质子一事,从感性上应该也不会感到过分意外了吧。

中子是显电中性的(也正因此被称为“中子”),而质子带正电。中子变身成质子之后,原子整体电荷的“账面”就对不上了。因此,在中子变为质子的同时,会产生带负电的电子,这样才能保证质子的电荷能够与电子的电荷正负相互抵消。这些由中子转变而产生的电子会以非常高的能量从原子核中释放出去。这样,中子释放出电子变成质子后,铯就会变成钡。在如此形成的钡的原子核中,因为中子是突然变为质子的,所以尚处于不稳定的状态,于是就会通过电磁波释放掉多余的能量,以最终进入稳定的状态。

19世纪末,人类发现了不稳定的原子核会释放电子和电磁波的现象。当时由于不了解其中的真正原因,就把释放出的电子命名为β射线,把释放出的电磁波命名为γ射线。对于原子核释放出的射线,现在我们仍然保留这种叫法。

不稳定的铯在弱力的作用下释放出β射线和γ射线,变成了稳定的钡。β射线和γ射线对人体是有害的,自日本核电站事故以来,想必很多人对此都有了一些认识吧。

我们的细胞中含有叫作DNA的分子,它携带着生命的重要信息。从铯释放出的电子(β射线)所具有的动能相当于DNA中原子结合能量的10万倍。电磁波(γ射线)的能量也是同样巨大。拥有如此高能量的电子和电磁波一旦进入我们的体内并穿过DNA,就会切断原子间的相互结合。

DNA的结构被称为双螺旋,是像链锁一样相连的原子分为两列,呈相互缠绕延伸的螺旋状。这两列原子携带着相同的信息,即使其中一列受到损伤,也可以使用另外一列的信息实现修复。因此,铯释放出的电子和电磁波即使切断了双螺旋的其中一列,人体一般也能够完成自我修复。但是,如果不幸两列的同一地方都被切断,那就无法进行修复了。带有错误信息的DNA会导致人体产生大量的恶性细胞,从而诱发癌变。

铯137的麻烦之处并非仅此而已。它的半衰期长达30年,会带来严重的污染。假设有100个铯原子,它们不会一下子都变为钡。即使过了30年也还会残留50个,它们会继续释放射线,所以避难的人们几乎无法再次回到遭受污染的地区。

那么,为什么铯137的半衰期如此之长呢?

半衰期的长短取决于中子变为质子的速度,也就是由弱力的大小来决定。之所以放射性原子的半衰期长,是因为其弱力“弱”。如果弱力再强一点的话,铯的中子变成质子的速度就会加快,从而缩短半衰期。假设铯的弱力变成现在的4倍,那么它的半衰期将缩短至不到两年。如果放射性物质能够在一年多的时间内减少到一半,那么污染的影响也应该不会长期存在了。

但遗憾的是,我们无法随意调整弱力的大小。而且,如果半衰期变为不到两年,弱力就会变得很大,事故发生后就会随即释放出强度为原来16倍的射线。这种情况也可能会在短时间内产生更大的危害。弱力的影响不仅仅体现在放射性物质产生的污染上。核电站事故的直接原因是宫城县牡鹿半岛海域发生的大地震,而地震的发生机制也与弱力有关。

地震的发生

地球中心的温度极高,炙烤着叫作地幔的一层结构,并使其发生缓慢对流。地幔上方的地壳会因此而发生形变,当能量通过岩石圈的错位断裂释放出来时就会发生地震。那么,地球的中心为什么具有如此高的温度呢? 2005年,KamLAND实验团队在日本岐阜县神冈町1000米深的神冈矿井下,成功地直接观测到了来自地球中心的中微子(伴随原子核反应释放出的基本粒子)。并且,发现了地球一半的地热(相当于2×107兆瓦)是在弱力引发的原子核反应过程中产生的(剩余的一半则是地球诞生时遗留的能量)。

因此,地震的一半能量来源于弱力。

“弱力”让太阳可以缓慢燃烧

也许有人听到弱力是辐射的原因和地震的能量来源之后,会觉得“如果没有这种麻烦的力就好了”。但是弱力并不是一味地带给我们麻烦。其实包括我们人类在内的所有生命可以存在于地球上,也多亏了弱力,因为弱力在生命之源——太阳燃烧的过程中,也发挥了重要的作用。

我先简单介绍一下太阳燃烧的机制。核电站发电利用的是铀等原子核在核裂变过程中释放出的能量,而太阳的能量则是在核聚变反应中产生的。质子聚集到一起,转变为氦原子核的时候,会产生核聚变能量,这种能量会以光的形式照射到地球上。因为太阳的73%是由自由游走的质子组成的,所以发生核聚变的原材料非常充足。但是,仅仅将质子聚在一起并不能让它们转变为氦原子。太阳之中发生的核聚变要经历以下两个步骤。

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图2-1:太阳中的两个质子会在弱力的作用下转变为氘的原子核

首先,当两个质子靠近时,其中一个会偶尔在弱力的作用下转变为中子,于是质子和中子结合就能创造出氘的原子核(图2-1)。这就是最初的一步,也是最棘手的难关。因为质子是带电的,所以质子之间会在电荷排斥力的阻碍下无法结合。当两个质子相互接近时,如果没有弱力在恰当时机发挥作用,让一个质子变成不带电的中子,是无法形成氘的。但是,弱力本身较“弱”,所以这种反应不会轻易发生。实际上,太阳中的一个质子与其他质子相遇变成氘原子核的事件可能10亿年才发生一次。

一旦创造出氘的原子核,那接下来形成氦原子核(2个质子+2个中子)就没那么困难了。这是第二个步骤。

也就是说,太阳的燃烧速度取决于在第一阶段引起反应的弱力的大小。正因为这样,太阳才获得了很长的寿命。我们预测太阳诞生于50亿年前,今后还能继续燃烧50亿年,核聚变反应不会一下子释放出巨大的能量,而是一点点地缓慢进行。这都是因为弱力较“弱”的缘故。

我曾咨询了美国加州理工学院的天体物理学家和日本国立天文台的天文学家。通过咨询得知,如果弱力比现在的大10%的话,太阳的寿命就会因此缩短20%。再大一点的话,在40亿年前地球上的生物进化成人类之前,太阳就应该已经燃烧殆尽了。今后的50亿年中,我们之所以不用担心太阳的能量,也是因为弱力会保持着目前的大小而不会改变。

通过以上几点介绍,你应该了解到了弱力给我们的生活带来了很大的影响。

物质的质量之源——“强力”

理论物理学家默里•盖尔曼认为强子由更加基本的粒子组成,质子和中子等重子由3个粒子组成,π介子和η、ρ、ψ等介子由2个粒子组成,这些基本粒子被统一命名为“夸克”。实验也验证了夸克的存在,目前普遍认为夸克是最基本的粒子。三个夸克组成一个质子或中子,质子和中子构成原子核,原子核与电子结合成原子(图2-2)。那么,原子的质量看起来好像就等于夸克与电子的质量总和。

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图2-2:三个夸克组成一个质子或中子,质子和中子构成原子核,原子核与电子结合成原子。那么,夸克和电子能够解释物质的质量吗?

然而,实际情况并非如此。在质子和中子的质量中,夸克的质量所占的比例只不过是1%而已。

那么,剩下99%的质量从何而来呢?除了构成原子的基本粒子的质量以外,应该还存在某处为物质提供相应大小的质量。

著名的公式E=mc2成为了理解这个问题的关键。爱因斯坦在1905年6月发表了狭义相对论的论文,并于3个月后在补遗中推导出了这个公式。能量(E)等于质量(m)乘以光速的平方(c2)。也就是说,质量与能量之间存在正比例的关系。

这个公式具有划时代的冲击力,它揭示出能量与质量在本质上是相同的。由于光速数值巨大,为每秒30万千米,所以该公式还表明微小的质量也可以产生出巨大的能量。如果重1克的1日元硬币能够完全转化成能量的话,或许可以提供8万户家庭1个月所消耗的电量。

爱因斯坦的这一发现,逼迫拉瓦锡的质量守恒定律做出了改变。既然质量可以转换成能量,那么质量和能量就不是各自独立存在的量。保持不变的量不是质量,而是质量和能量的总量。

例如,严格来讲,物质的质量也不是“原子的质量×原子的数量”。还需要把使原子结合在一起的电磁力的能量也计算进去。但是因为这种能量小到可以忽略,所以拉瓦锡的实验没有观测到它,从而得出了化学反应前后质量守恒的结论。

物质质量的99%来自“强力”的能量

同样,原子中使原子核和电子结合在一起的电磁能量也只占原子质量的一亿分之一。因此,可以说原子的质量基本等于原子核的质量。原子核的质量也基本上等于质子和中子的质量。

如果沿用这种思维模式,我们会觉得好像可以用夸克的质量来解释质子和中子的质量。但是,实际上即使把所有夸克的质量加起来也仅占了质量的1%而已。

那么,剩下的99%的质量到底从何而来呢?这些质量其实源自将夸克束缚在质子和中子之中的“强力”的能量。

把使原子和原子、原子核和电子、质子和中子结合在一起的能量,换算成质量后的数值是非常渺小的。但是,作用于夸克的力却可以产生巨大的能量,这种力能够解释粒子剩余的99%的质量来源。

因为质子和中子的质量基本源于束缚夸克的能量,所以原子的质量,甚至连我们身边物质的质量,也基本都是源于这种束缚夸克的能量。

电子和夸克的质量仅占整体质量的1%。所以物质的质量基本可以解释为强力的能量通过公式E=mc2换算出的质量。

“三兄弟”为何性格迥异

在标准模型中电磁力、强力、弱力的作用机制都是一样的。可以说,这三种力就像“三兄弟”一样。实际上,研究者一般认为在宇宙诞生的大爆炸时期,这三种力具有相同的性质。

但是,在当前的世界中,电磁力、强力、弱力并不是同一种力。它们的强度也完全不同。虽然大爆炸时期具有相同的性质,但是随着宇宙的进化,它们的性质也出现了差异。目前的研究普遍认为力在宇宙诞生的时候就已经存在,不过其作用方式与现在存在差异。可以说,出生时候完全没有区别的三兄弟随着发育成长,性格也变得迥异了。


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《强力与弱力:破解宇宙深层的隐匿魔法》以通俗易懂的语言解读了强力与弱力以及基本粒子的相互作用机制,用推理小说的线索追踪与解谜方式介绍了微观层面下的奇妙世界以及自然的基本结构,能够让你以全新的视角面对和反思宇宙、自然以及万物的存在。