深層解讀強(qiáng)力和弱力，統(tǒng)治微觀世界的神秘力量！

弱力和強(qiáng)力是產(chǎn)生在微觀領(lǐng)域的相互作用，作用效果在微觀層面才能觀察到。兩者都屬于短程力，屬亞原子粒子間的相互作用。

弱力

弱力是4種基本力中第三強(qiáng)的力，比電磁力要弱很多，強(qiáng)度約相當(dāng)于電磁力的十億分之一。弱力的作用距離比強(qiáng)力短，作用范圍大約在10^-18米之內(nèi)，是4種基本力中作用距離最短的力。

（四種基本力的強(qiáng)度及其作用范圍）

弱力只作用于夸克、電子、中微子等費(fèi)米子，而對(duì)光子、膠子等玻色子不起作用。根據(jù)量子場論的解釋，費(fèi)米子之間依靠交換W+、W-、Z三種玻色子來進(jìn)行弱相互作用的傳遞。

那費(fèi)米子與玻色子是什么？

簡單來說，費(fèi)米子為服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)、自旋（在量子力學(xué)中，粒子的自旋是由粒子的內(nèi)稟角動(dòng)量引起的內(nèi)稟運(yùn)動(dòng)，這與經(jīng)典力學(xué)中的自轉(zhuǎn)概念并不一樣，大家了解一下就行了）為半奇數(shù)的一類粒子（例如夸克和電子的自旋都為1/2），它們遵守泡利不相容原理（即不能有兩個(gè)以上的粒子出現(xiàn)在相同的量子態(tài)中）；玻色子為服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)、自旋為整數(shù)的一類粒子（例如光子、膠子的自旋為1），雖不遵守泡利不相容原理，但在超低溫狀態(tài)時(shí)可發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚。自然界中的一切都是由費(fèi)米子構(gòu)建起來的，而玻色子則只負(fù)責(zé)傳遞相互作用。

（基本粒子中的費(fèi)米子與玻色子）

弱力與原子的衰變有關(guān)。大家也許知道，自然界中存在許多放射性元素，比如鈾。像鈾這種不穩(wěn)定的重元素，其原子核會(huì)自發(fā)的發(fā)生放射性衰變，不穩(wěn)定的重元素會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的輕元素。

（鈾的衰變過程）

什么是元素的放射性衰變？

放射性衰變是不穩(wěn)定原子核自發(fā)地放出射線或粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核的過程，整個(gè)過程中原子核會(huì)逐漸變小，主要包括α衰變（從原子核射出α粒子）、β衰變（從原子核射出正電子或負(fù)電子）和γ衰變（從原子核輻射出伽馬射線）等形式。一些元素的原子核會(huì)連續(xù)發(fā)生多次哀變，直至產(chǎn)生穩(wěn)定原子核。放射性同位素的半衰期長短差異極大，短的不到一秒，長的可達(dá)上億年。半衰期愈短的同位素，放射性也就愈強(qiáng)。

強(qiáng)力

強(qiáng)力是強(qiáng)子之間相互作用的一種力，后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)強(qiáng)子由更基礎(chǔ)的夸克組成。強(qiáng)力不僅名字上有個(gè)“強(qiáng)”，其本身的作用強(qiáng)度也是4種基本力中最強(qiáng)的，大約是電磁力的137倍。強(qiáng)力的作用范圍大約在10^-15米。

強(qiáng)力的產(chǎn)生與電磁力有點(diǎn)類似，帶有電荷的粒子存在電磁力，而夸克帶有色荷，強(qiáng)力就是帶有色荷的夸克之間所具有的相互作用，色禁閉現(xiàn)象也正是產(chǎn)生于此。強(qiáng)力通過交換膠子（膠子也具有色荷）而傳遞相互作用。在低能量狀態(tài)下，介子（介子也是強(qiáng)子）也充當(dāng)著強(qiáng)力的媒介粒子。

（膠子在夸克間傳遞強(qiáng)力）

與弱力相似，強(qiáng)力也會(huì)引起粒子衰變（粒子衰變是一個(gè)基本粒子轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌玖Ｗ拥淖园l(fā)過程，與放射性衰變不同）。強(qiáng)衰變粒子的平均壽命極短，在10^-20～10^-24秒左右，這類粒子我們將其稱之為共振態(tài)粒子，它們也是由夸克構(gòu)成的。通過粒子碰撞試驗(yàn)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了許多共振態(tài)粒子。

（中子衰變?yōu)橘|(zhì)子的費(fèi)曼圖）

上過初中的都知道，原子核中的質(zhì)子帶一個(gè)單位正電荷，同性相斥的道理大家也都懂，質(zhì)子和中子正是在強(qiáng)力的作用下克服庫侖斥力而強(qiáng)行粘合在一起的，核反應(yīng)與核能都與強(qiáng)相互作用息息相關(guān)。

總結(jié)

好了，有關(guān)4種基本力的介紹就到此為止。科學(xué)家們一直希望能夠建立大統(tǒng)一理論，在統(tǒng)一的框架下，描述這4種基本力。麥克斯韋統(tǒng)一了電力與磁力，更進(jìn)一步，電磁力和弱力也得到了統(tǒng)一，并且電弱統(tǒng)一理論得到了非常嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。目前強(qiáng)力還沒有很好的融入，引力更是一塊難啃的骨頭。