四大基本作用力按照發(fā)現(xiàn)時(shí)間依次為:引力,電磁力,強(qiáng)力,弱力。主要區(qū)別簡(jiǎn)單地說有兩點(diǎn),一個(gè)是作用的對(duì)象不同,一個(gè)是傳遞的方式不同。
(1)作用對(duì)象不同:
引力之作用于有質(zhì)量的粒子,注意這個(gè)質(zhì)量不是靜質(zhì)量,而是動(dòng)質(zhì)量,就是E=Mc^2中的M,和能量等價(jià)。也就是說引力可以作用到一切有能量的物質(zhì),我們宇宙中一切物質(zhì)都是有能量的,所以說引力作用到一切物質(zhì)。
電磁力作用到一切有電荷的粒子,包括電子,夸克,以及它們組成的復(fù)合粒子,還有傳遞弱力的W粒子。暗物質(zhì)就是因?yàn)闆]有電荷,不參與電磁力,所以不發(fā)光。
強(qiáng)力作用到一切有色荷的粒子,包括夸克和膠子??淇送ㄟ^強(qiáng)力組成質(zhì)子和中子,剩余的強(qiáng)力使質(zhì)子和中子組成原子核。膠子雖然是強(qiáng)力的傳遞者,但自身也可以通過強(qiáng)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(dǎo)致粒子衰變。有趣的是弱力是唯一一個(gè)宇稱不守恒的,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(huì)產(chǎn)生弱力。
(2)傳遞方式不同
引力通過引力子傳遞(盡管量子引力理論一直沒有實(shí)驗(yàn)證實(shí)),引力子和光子一樣沒有靜質(zhì)量,所以可以作用到無限遠(yuǎn),按照平方反比定律衰減。引力強(qiáng)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(chǎng)。
電磁力通過光子傳播,符合U(1)對(duì)稱性。光子沒有靜質(zhì)量,所以作用到無限遠(yuǎn),按照平方反比定律衰減。雖然電磁力作用比引力強(qiáng)很多,但是引力可以靠質(zhì)量積累變得強(qiáng)大,電磁力卻因?yàn)殡姾芍泻蜔o法積累。光子的自旋為1,是矢量場(chǎng)。
強(qiáng)力通過膠子傳播。之所以叫強(qiáng)力,是因?yàn)樗谫|(zhì)子尺度上作用強(qiáng)度是電磁力的一百倍以上。但是強(qiáng)力符合SU(3)對(duì)稱性(所以膠子有八種“色荷”),有“漸進(jìn)自由”的特性,夸克靠的越近,強(qiáng)度反而下降,所以沒有單獨(dú)夸克。膠子自旋為1,是矢量場(chǎng)。
弱力通過W和Z玻色子傳播,在質(zhì)子尺度上作用強(qiáng)度是電磁力的萬億分之一。弱力符合SU(2)對(duì)稱性。W和Z玻色子都是自旋為1的矢量場(chǎng)。弱力與電磁力在更高的能量上是統(tǒng)一的,合稱“電弱相互作用”。在較低能量上,因?yàn)閔iggs機(jī)制,W和Z玻色子獲得了靜質(zhì)量,弱力和電磁力分開。
種種跡象表明強(qiáng)力和電弱相互作用在更高能量上也應(yīng)該是統(tǒng)一的,但是目前理論模型還沒經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,還需要更大的對(duì)撞機(jī)和更長(zhǎng)的時(shí)間,這很可能是高能物理實(shí)驗(yàn)的下一個(gè)突破點(diǎn)。
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