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两百年来的科学史——自然力

2018年12月14日  来源:中科院物理所 作者: 提供人:peito552209@163.c......

3、只有四种自然力

两千年来,科学家已经发现我们宇宙的所有现象,都可以简化成四个作用力:

1、电磁力(electromagneticforce):包括电力、磁力和光本身,合称为电磁力。电荷(磁级)正负相同为排斥力,相反为吸引力。由光子传递,与电量成正比,距离成反比。长程力,在四种力中第2强。

2、强核力 (strong nuclearforce):是夸克之间的吸引力,由胶子传递(束缚质子和中子于原子核中的是其附加效果由π介子传递)。在有效距离内,距离越大,力越大。短程力,在四种力中最强,也是恒星燃烧能量的自然力,氢弹的爆炸正是运用强核力的原理。

3、弱核力 (weak nuclear force):弱核力左右了部分放射性物质的衰变形态,是造成β衰变一类的衰变的力。由希格斯粒子(W+、W-、Z0)传递,较弱,短程力,作用在夸克级的粒子。是四种力中第3强的。

4、重力 (gravitational force,或称引力):由引力子传递,与质量成正比,距离成反比。长程力,在四种力中最弱。

4、为何要统一自然力?

一旦人类将所有的作用力整合成一个超作用力,这时会有什么突破。关于这一点,物理学家Paul Davies写到:

“我们能够改变时空的结构,了解宇宙万物的来龙去脉,让物质变得井然有序。控制超作用力后,我们便能任意地组合与改变粒子,制造出前所未有的物质形态。我们甚至能左右空间的维度数,制造出具有不可思议属性的人工世界。我们将成为宇宙的主宰。”

回看一下人类掌握“力”的历史:

人类诞生的历史超过数千万年,在99.99%时间里,人类能够掌握的能量只是双手和肌肉的力量,大概只有八分之一马力;

十万年前,随着手持工具的发明,人类的能量输出倍增,达到一又四分之一马力;

牛顿发现万有引力和运动定律,让力学被简化成条理分明的方程组。现代机械原理催生出蒸汽机,人类掌握的能量达到数十到数百马力;

麦克斯韦尔方程式,启迪了爱迪生等发明家,人类进入电力时代,能量级数获得飞跃,极大地改变了人们的生活。

爱因斯坦的相对论为人类打开了核能利用的时代,人类掌握的能量提升到足够摧毁自己所居住的行星的程度。

历史地看,每当人类控制一项自然力,都能大幅提升人类所能掌握的能量,让整个社会改头换面。(那么,未来的人类需要多大的能量?10E 20亿电子伏特起步,超过了现在的一千亿倍。否则,我们将无法使空间弯曲,解决航行到遥远星际的难题;或者,在宇宙崩溃的瞬间,有足够的能量打开六维宇宙,逃离灭亡的劫难。)

下面,就让我们按照时间顺序,回顾一下人类整合四种自然力的历程:

(本文虽然涉及诸多专有词汇,但我们尽量直白描述。理解这些前辈的伟大思想其实不难,并不需要多少艰深的专业知识,只要:一点常识+一点逻辑+一点耐心。)

第一个走进这段物理史诗的,是一位数学家:黎曼。

物理 / 宇宙 / 爱因斯坦 / 太阳系 / 马克斯·普朗克

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