宇宙真元:力量的源泉剖析

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基本粒子及其相互作用,图源:当代物理学教育工程/美国能源部/美国国家科学基金会/劳伦斯伯克利国家实验室,刊于cpepweb。

当我们讨论自然界的基本法则时,我们可以将一切事物分解成四种力,这四种力就是宇宙万物的核心:

强核力:将原子核与独立的质子和中子束缚在一起的作用力。

电磁力:该作用力对带电粒子表现出吸引或排斥现象,可以将原子束缚在一起形成分子和生命基础,也能够产生电流等。

弱核力:引起部分放射性衰变的作用力,同时也是造成不稳定的重离子变轻粒子的作用力。

引力:将地球、太阳系、恒星乃至整个星系捆绑为IPFS矿场一体的作用力。

宇宙中的是四种基本力:从左到右依次为重力、电磁力、弱核力、强核力

图源:维基百科(WikimediaCommons)

取决于看事物的角度不同,每一种基本力在特定的维度和环境中都有可能凌驾于另外几种力而存在。

原子核维度下的氦原子

图源:维基百科(WikimediaCommons)

在最小的比例上——10^-16米,比一粒原子还要小百万倍——强核力的存在感超过其他任何力。以氦核为例:两个质子和两个中子以稳定的结构捆缚在一起,即使是质子间的电磁互斥力也无法克服如胶般牢固的强核力。即使移走一个中子,仅剩两个质子和一个中子的氦同位素也有着同样稳定的结构。在最微小的距离上,强核力能够超越其他任何力,因而在多数情况下可以认为是最强之力。

银河星系半人马座A及电磁加速下的高能粒子喷流。

图源:美国国家航空和宇宙航行局(NASA)

但如果你的原子核足够大,那么电磁力将成为主宰之力。如铀-238就会时不时分裂出一个氦核,这是因为核内粒子间的互斥力过大以至于强核力都无法将其束缚在一起。从宏观宇宙角度来看,坍缩星和高速旋转的带电粒子所产生的强磁场可以加速粒子形成宇宙最强大的力:从四面八方对我们进行狂轰滥炸的超高能宇宙射线。不同于强核力,电磁力的范围可以无限扩大;在宇宙的另一端也可以感受到质子的电场。

大原子核内部的β衰变图解

图源:维基百科(WikimediaCommons)

弱核力,从名字上看,似乎与宇宙最强之力最是无缘。但即使相对较弱,在特定的时刻它也能大放异彩。在适当的条件下,电磁力(在带电粒子间产生互斥力)与强核力(将原子核束缚到一起)相互抵消,极短距的弱核力一跃成为主宰之力。当它成为主宰时,系统的平衡态将被彻底打破,这是因为弱核力会引起放射性衰变(β衰变),也就是将中子转变为质子、电子或者反电子中微子。自由中子、重元素以及放射性水源(含氚废水)中发现的不稳定态同位素—氚元素,都揭示了弱核力的力量。

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