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科學報 科學文摘 宇宙

揭秘宇宙最強之力:五大宇宙力量,誰才是主宰?


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更新日期:2022409
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基本粒子及其相互作用,圖源:當代物理學教育工程/美國能源部/美國國家科學基金會/勞倫斯伯克利國家實驗室,刊於cpepweb。

當我們討論自然界的基本法則時,我們可以將一切事物分解成四種力,這四種力就是宇宙萬物的核心:

強核力:將原子核與獨立的質子和中子束縛在一起的作用力。

電磁力:該作用力對帶電粒子表現出吸引或排斥現象,可以將原子束縛在一起形成分子和生命基礎,也能夠產生電流等等。

弱核力:引起部分放射性衰變的作用力,同時也是造成不穩定的重離子變輕粒子的作用力。

引力:將地球、太陽系、恒星乃至整個星系捆綁為一體的作用力。

宇宙中的是四種基本力:從左到右依次為重力、電磁力、弱核力、強核力

圖源:維基百科(Wikimedia Commons)

取決於看事物的角度不同,每一種基本力在特定的維度和環境中都有可能淩駕於另外幾種力而存在。

原子核維度下的氦原子

圖源:維基百科(Wikimedia Commons)

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在最小的比例上——10^-16米,比一粒原子還要小百萬倍——強核力的存在感超過其他任何力。以氦核為例:兩個質子和兩個中子以穩定的結構捆縛在一起,即使是質子間的電磁互斥力也無法克服如膠般牢固的強核力。即使移走一個中子,僅剩兩個質子和一個中子的氦同位素也有著同樣穩定的結構。在最微小的距離上,強核力能夠超越其他任何力,因而在多數情況下可以認為是最強之力。

銀河星系半人馬座A及電磁加速下的高能粒子噴流。

圖源:美國國家航空和宇宙航行局(NASA)

但如果你的原子核足夠大,那麼電磁力將成為主宰之力。如鈾-238就會時不時分裂出一個氦核,這是因為核內粒子間的互斥力過大以至於強核力都無法將其束縛在一起。從宏觀宇宙角度來看,坍縮星和高速旋轉的帶電粒子所產生的強磁場可以加速粒子形成宇宙最強大的力:從四面八方對我們進行狂轟濫炸的超高能宇宙射線。不同於強核力,電磁力的範圍可以無限擴大;在宇宙的另一端也可以感受到質子的電場。

大原子核內部的β衰變圖解

圖源:維基百科(Wikimedia Commons)

弱核力,從名字上看,似乎與宇宙最強之力最是無緣。但即使相對較弱,在特定的時刻它也能大放異彩。在適當的條件下,電磁力(在帶電粒子間產生互斥力)與強核力(將原子核束縛到一起)相互抵消,極短距的弱核力一躍成為主宰之力。當它成為主宰時,系統的平衡態將被徹底打破,這是因為弱核力會引起放射性衰變(β衰變),也就是將中子轉變為質子、電子或者反電子中微子。自由中子、重元素以及放射性水源(含氚廢水)中發現的不穩定態同位素—氚元素,都揭示了弱核力的力量。

行星形成系統圖解

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圖源:美國國家航空和宇宙航行局(NASA)

但在最大的比例範圍上——以星系、星系團等為單位——以上提到的任何力都不足為道。盡管電磁力的作用範圍可以延伸至整個宇宙,卻依然不會影響太多,這是因為宇宙中的正負電荷整體保持平衡(主要是質子和電子)。即使在可觀察範圍內,我們可以把宇宙中的電荷差控制在10^34次方分之一以下。宇宙告訴我們,雖然電磁力可能比兩個例子間的引力大得多,但如果足夠多的粒子聚在一起整體呈現或接近於電荷中性,引力則會成為唯一的關鍵力。核聚變過程中產生的的輻射壓力無法把恒星拆散就是因為它們間的相互引力克服了核聚變能量的外推力。

宇宙中已知最大的獨立星系

圖源:斯隆數字巡天探測中心(Sloan Digital Sky Survey)

在宇宙中,星系團、大的天體結構間的跨度可以長達十億光年以上。然而,無論是相距80億光年、100億光年還是150億光年,在整個宇宙中總能找到絕對零值。令人感到疑惑的是,這並不是我們提及的以上任何一種力的作用造成的,而是源於一種意想不到的現象:暗能量。

暗能量相機拍攝的埃爾戈多星系團(低亮度),圖片中它獨立於其他結構而存在。

圖源:暗能量巡天計劃(Dark Energy Survey)

放到最大的比例範圍,這種天然存在於太空中的基本能量,盡管十分微小——每立方千米不到1焦耳——已經足夠克服宇宙中最大星系團之間的相互引力了。引發的結果就是加速膨脹,隨著時間進度的推移,相距最遠的星系團以更快的速度遠離對方。站在宇宙的維度,引力也無法起作用。

宇宙膨脹的可能性模型

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圖源:美國國家航空和宇宙航行局(NASA)和ESA(歐洲航天局)

誰是宇宙最強?縮小到最小比例,強核力堪當重任;論及最高能量,電磁力當之無愧;若說到最大的束縛結構,引力當仁不讓;而在這一切之上,宇宙中神秘的暗能量開始主宰一切。如果要比較絕對量級,暗能量最是微弱:它的初現耗費了宇宙整整一半的歲月,而人類直到1998年才發現它的存在。但宇宙是如此之大,當整個宇宙容積被疊加到一起,遙望未來,暗能量會是最終唯一的能量。

相關知識

基本相互作用(fundamental interaction),為物質間最基本的相互作用,常稱為自然界四力或宇宙基本力。迄今為止觀察到的所有關於物質的物理現象,在物理學中都可借助這四種基本相互作用的機制得到描述和解釋。

圖解:力可以說成對一個物體的推力與拉力,可以由重力、磁力或任何可以造成質體加速的現象來產生。

大統一理論認為:強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用可以統一成一種相互作用,目前統一弱相互作用和電磁相互作用的電弱統一理論已經獲得實驗證實。

圖解:由大型強子對撞機中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產生時的景象。它是通過衰變為強子噴流的質子與電子的碰撞形成的。

大統一理論(Grand Unification Theory,縮寫GUT)是一種物理理論。物理學者希望能借由單獨一種物理理論來合理解釋電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用導致的物理現象。大統一理論算是物理界邁向萬有理論的踏腳石。請注意,大統一理論並不包括引力,試圖也將引力統一的理論稱為萬有理論。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Ethan Siegel Senior Contributor-王皮鞋

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