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4.2.基本粒子间的相互作用


§ 4.2、基本粒子间的相互作用
4.2.1、 四种基本的相互作用 一切物质归根结底都是由基本粒

子组成的。基本粒子间的相互作用属于基本的相互作用。实践证明,基本 的相互作用有四种: 1、引力作用 在宏观上,特别是对于天体,引力作用是极其重要的。

但是,对于基本粒子来说,比起其他相互作用来,引力作用极其微弱,可 不予以考虑。 2、弱相互作用 强度远小于电磁相互作用和强相互作用,存在于除

光子外所有粒子之间的一种短程用用。 3、电磁相互作用 4、强相互作用 直接存在于带电的粒子之间。 存在于夸克之间。介子或重子之间的相互作用是夸

克间强相互作用的间接表现,核子之间的相互作用即核力属强相互作用。 这四种的基本相互作用,按由强到弱排列,它们的相对强度为 强相互作用 1 电磁相互作用
10 ?2

弱相互作用
10 ?14

引力相互作用
10 ?39

正像电和磁是电磁相互分用的两个不同的表现方面一样,科学家们认 为,电磁和弱相互作用两者是电-弱相互作用的两个不同的表现方面。近年 来,电弱统一的理论获得了成功。 传递相互作用的粒子 相互作用的本质是什么呢?在电学部分,我们

知道,带电粒子是通过电磁场传递力的。电磁场的传播就是电磁波,其量 子是光子。所以,带电粒子是通过交换光子发生相互作用的。传递相互作 用的粒子又称媒介子。光子是一切带电粒子间电磁相互作用的媒介子。

1

轻子之间不存在强相互作用。轻子或重子之间都存在弱相互作用。弱相
? ? 互作用的媒介子又称为中间玻尔色子或弱介子。理论预言有 W 、 W 、

0 和 Z 3 种弱介子。它们的质量都很大,自旋都等于 1,在本世纪 80 年代,

这三种媒介子先后被实验所证实。 夸克之间存在强相互作用。强相互作用的媒介子称为胶子。胶子的静质 量为 0,电荷为 0,自旋等于 1,但带有色荷。 夸克或胶子都没有被分离出来而直接观测到。 为什么没有单个的夸克出 现呢?理论上认为,夸克之间的相互作用随着夸克之间的距离增加而加大, 以致巨大的撞击能量未分离开夸克,而产生了两个或三个夸克组成的强子。 这个理论又称为夸克的禁闭理论。按照这个理论,单个夸克是不能从强子 中分离出来的。 §4、3 4.3.1、 、黑洞 黑洞是指光子无法脱离其引力,因而接收不到从它射出的光子,所以称 为黑洞。
m? hv c 2 。设星体是一个质量为 M,半径为 R 的

其他

可以认为光子具有质量

均匀球。则质量为 m 的光子在星球表面所受到的引力为
f ? G? Mm M ? hv ? G? 2 2 2 R R c

光子以光速 c 作半径为 R 的圆周运动的向心加速度 向心力时,光子不会外溢,即 f>ma 有:
M ? hv hv c 2 G? 2 2 ? 2 ? c R c R
2

a?

c2 R 。 当引力大于

从上式可得
R? Rc ? Gm ? Rc c2

可以认为
Rc ? 2Gm c2 ) 。

Gm c 2 就是黑洞的临界半径(从广义相对论所得结论为

3 对于太阳,可结算它演变成黑洞时的临界半径的数量级为 10 m 。

假定我们所在的宇宙就是一个黑洞, 即我们不可能把光反射到我们的宇 宙之外。所以即使在宇宙之外还存在空间,还存在天体的话(这完全是一 种假设) ,那么外面的天体看我们的宇宙就是一个“大黑洞。试从这一假定 估算我们宇宙的半径。 解 设宇宙质量为 M,半径为 R,则
4 M ? ?R 3 ? P 3

由于黑洞的临界半径为

Rc ?

Gm c2 。

所以 4.3.2、引力红移

Rc ? (

3c 2 1 2 ) ? 10 26 m ?Gp 。

引力红移是指由于引力作用, 我们观察星体的光比星体表面发射的光 波变长。因此可见光波长最长的光是红光,也即光谱向红端移动,称为引 力红移。 根据广义相对论的等效性原理,引力质量和惯性质量是等价的。光子能 量以及光子—地球系统的势能满足能量守恒定律。 即光子的能量如引力势能为常数,而光子的能量 E=hv,引力势能为

3

mgz。其中

m?

hv c 2 ,所以当高度改变 ?z ,频率就会改变 ?v ? h?v ? mg?z ? hv ? ?z c2



?v g?z ?? 2 v c

这说明频率 v 发生了红移

4



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