|
 李学生 （lixueshenglxs@21cn.com） 2007.05
四、强相互作用与电磁力的关系
摘要：文章回顾了现代物理学关于强相互作用的认识，指出了强相互作用是电磁质量的量子分布的表现形式，提出了电磁力与强相互作用互为反作用力的观点，然后引用了王保新先生关于二者的定性描述和肖军先生关于它们统一的数学推导。
关键词：强相互作用、电磁力、量子分布、反作用力、电磁质量
（一）强相互作用与电磁力的关系
2007年2月16日，在旧金山举行的美国科学促进会的新闻发布会上，1976年诺贝尔物理学奖得主之一伯顿·里克特，说了这样一段话：“近百年来，物理学家探究物质基本构成的方法，本质上并没有改变，那就是用加速器使粒子束获得极高的速度和能量，用来轰击原子核或基本粒子，观察撞击产生的“碎片”。但随着研究的深入，撞击所需要的能量增加了许多个数量级，建造加速器的费用也增加了许多个数量级。在实验室里用几块金属板拼装出一个加速器就可以使用的时代早已过去，现在的加速器动辄需要上亿甚至几十亿美元，超出了一所实验室乃至一个国家的能力范围。许多加速器因为经费问题而关闭或即将关闭，当前世界最强大的加速器——美国费米实验室的对撞机也不能幸免，即将在2009年关闭”。当前，原子核物理的发展进入了一个令人瞩目的新阶段。由于大型实验装置的兴建和巨大发展，人们已经或即将把正常状态的原子核推向极端条件，如：高速旋转（转动频率高达1020Hz）、超形变（长短轴比达2：1） 甚至巨形变（长短轴比达3：1）、奇异形状（梨形、香蕉形等）、反常中子质子比（轻晕核、如11Li、已达8：3）、常温低密（如晕核等）、常温高密（如核天体等）、高温高密（高能核核碰撞产生的核物质、核天体等）、乃至新的物质形态—夸克胶子等离子体。这些新的运动模式和状态下的原子核的发现既对传统的量子核多体理论提出了严重挑战，同时也密切了与其他学科（如：粒子物理、天体物理、凝聚态物理、等）的关系。这些极端条件下原子核状态的发现对核物理研究不仅产生了巨大的冲击，也提出了严重的挑战，并提供了重大机遇，成为当前原子核物理发展的主攻方向。通过对这些极端条件下原子核的研究，可以深化原子核理论的基础知识的认识，并了解极端条件下强相互作用物质的形态、性质及相用机理，发展新的量子多体理论。同时，该方面的研究也有可能对国民经济及国防建设产生重大影响，例如：利用稳定的超形变核态到正常形变核态的退激制造核X射线激光可以使激光器的能量增益成数倍提高。
历史的经验告诉我们，物理学的突破，有一定的客观规律。这就是如日本物理学家武谷三男教授和坂田教授所总结的，物理学的发展往往表现为“三阶段”，亦即首先进入“现象论”阶段，其次进入“实体论”阶段，最后进入“规律论”的阶段，亦即最终突破了物理学的基本规律。物理学在基本规律已确立以后，就转入应用。
现代物理学认为强作用弱作用在长程也存在，只不过它们太弱了。因此如果存在其他的作用，比如电磁作用，那么它们可以忽略。强作用与电磁作用不同的是，它有不止一种电荷（叫色荷）。电磁作用只有一种电荷，当然这一种电荷可以是正，也可以是负；同号相斥；异号相吸。对于强作用，除了同一种“色荷”可以有正负外，还可以有其他种色荷，量子场论关于强相互作用的研究还处于非常初级的阶段，量子色动力学面临的困难，以及各种大统一理论和超统一理论的失败，使我们目前还无法真正确认强相互作用的物理本质。为了解释原子核中稳定的构造，物理学家认为在强子间又存在着一种既不是电磁力，也不是万有引力的强相互作用——核力，并对这种作用提出了种种设想，其中交换力是得到较多认可的。交换力是由于交换中介粒子而在基本粒子之间产生的作用力。设想两个人争夺一个球，那么其结果相当于它们之间产生一种引力。如若他们相互掷抛这个球，则相当于它们之间产生一种斥力。在核子之间相互争夺的这个球就是π介子。现代物理学认为强相互作用只适用于微观世界，可是微观与宏观没有截然的界限，这显然存在着不协调性，而且与宇宙全息统一论的思想不一致。现代物理学认为，核力用一个标量场来描述，这标量场满足真空中的波动方程。按照量子场论的普遍原理，场论不可避免地是和粒子或量子相伴随的，后者的质量为μ=kh/c，其自旋为0，服从玻色——Einstein统计法。传递电磁作用的是光子，是自旋为1的零质量的向量粒子，而传递强相互作用的π介子，却是自旋为0的非零质量赝标粒子。如果用快速α粒子来轰击重核，α粒子可以进入核内形成复核，说明α粒子和原子核接近到一定距离时，除电磁斥力外，还有吸引力的存在，它随距离的变化比Coulom力快的多。核子间的作用力也是一种交换力，中间的交换媒介为π介子。现代物理学认为核力与核子的取向有关。
强相互作用是电磁质量的数值在实数集上量子分布的表现形式，因此从表面上看，强相互作用是接触力，表现为短距离，只有在粒子之间发生，同两个粒子所带的 electric charge没有关系，在中子与质子之间，质子与质子之间，中子与中子之间（中子也具有磁矩，电磁质量没有表现出来），这种相互作用力的强度是相同的。现代物理学认为强相互作用把核子紧密地束缚在一起，大约在0.4费米距离时，表现为吸引；距离再小，成为很强的排斥；距离大于1费米就可以忽略不计了。这种力有一部分是非中心力，即其方向并不在相互作用的粒子的联线上。笔者认为现代物理学中的强相互作用、电磁力应当是它们的合力，在10-14cm 的尺度范围，可通过超高能电子与质子碰撞后的散射来研究，实验结果似乎表明电力比预期的要弱。现代物理学的实验证明，Coulomb,s law的使用范围是10-13cm——109cm。空间物理和天体物理的实验和观测表明，在比这更大的尺度范围内，Coulomb,s law或许仍适用。笔者认为在任何范围内，实验观测到的都是它们的合力，与Coulomb,s law都有部分偏差，只是偏差大小不同而已。中性π介子应当没有强相互作用。Hideki Yukawa认为强相互作用通过π介子传递，而它带有 electric charge，正说明了这一问题。强相互作用与电磁力方向相反，可以认为是电磁力的反作用，因此电磁质量不可能消失，正负 electric charge中和是消失的只是其空间量子形式。每一种力都有自己的反作用，这是矛盾着的双方，是由对称的绝对性所决定的；根据对称的相对性，它们的变化规律不同，例如分子的引力与斥力是相互对立的，只是变化规律不同，电磁力与强相互作用是它们的微观机理，因此它们应当如此。
强作用力存在于夸克之间，它是原子核内起维系作用的力量，它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。夸克之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以至于它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象叫作“渐近自由”，即渐近不缚性。与此相反，当夸克之间的距离越大时，强作用力就越强。美国的三位物理学家因为研究这个问题荣获2004年诺贝尔物理学奖金.笔者认为此时应当是电磁力与强相互作用的合力. 《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：７３．自由夸克能否直接在实验中被发现？
强相互作用同液体分子之间的力很相似，并且就象液体的情形那样。尽管这种力能够防止各个粒子完全离开，却并不妨碍它们发生相对位移，因为它们之间同时存在电磁力。因此原子核物质就具有某种程度的流形，它在不受到任何外力的干扰时，总是像普通的水滴那样呈球形。最近在美国Jefferson实验室进行的结果显示，质子不一定总是球形的。在该实验室的一项新的实验中，科学家们将电子在耽搁的质子（氢原子核）上的散射与在氦核上的散射做了比较，表明这两种核以不同的方式“捏塑”它们所包含的质子，使质子内的夸克有时会蔓延出来一些，或使质子成为像花生那样的形状，尽管其平均形状还是球形的。【1】许多生物大分子（如DNA）虽然具有相同符号的电荷，但却能相互吸引并在水中聚集成团，称为丛生现象。科学家们认为丛生现象的产生一定是由于某些溶于水中的离子或带电小分子抵消了大分子的电荷所形成的，但却不能破解其中的机理与细节。最近美国的生物物理学家G.Wong和他的同事们对同种电荷相互吸引进行了一些简单实验后发现，想使同种电荷发生相互吸引必须要在离子大小的范围内才有可能。【2】笔者认为这两种现象都是强相互作用的表现形式。强相互作用作用力在极近距离内强力是吸引的,在大一些距离后强力才排斥.基本相互作用并不是汤川型强相互作用,现代基本粒子相互作用是用规范场描述的,汤川型已是过时的东西.正好说明了电磁相互作用与强相互作用互为反作用力。王保新先生利用下面的图象表示它们之间的关系：
 a、b为常数，且 b的数量级在10负10次方米以下。电磁力与强相互作用互为反作用力是对称的绝对性的表现形式，其变化规律不同是对称的相对性的表现形式，进一步说明了对称的绝对性与相对性原理的正确。
(二)电磁力与强相互作用的统一尝试
下面是肖军先生的推导：我们知道，电场强度 等于电势 的负梯度
 （1）
并满足场方程
（2）
把式（1）代入式（2）知，电势满足方程
 （3）
由此可求出点电荷源 在无界空间中所激发的电势为
 （4）
式中 是场点 到源电荷的距离。
电势的绝对值是没有物理意义的，有物理意义的是场点处电势相对参考点 的电势差，也就是把单位电荷从参考点处移至到场点处，电场对单位电荷所做的功，即
 （5）
式中 是参考点到源电荷的距离。以往人们选取 ，从而得到 ，可以肯定这是错误的，因为 是有物理意义的，它在 时存在有无穷大奇点，这在物理上是不可能的。
究竟应当怎样选取呢？不妨我们假设已经选定，并令
 （6）
其中 为肖军函数。式（5）则可写成形式为
 （7）
于是，由式（3）知
 （8）
若今 ，则因
由（8）式则可得到一个变系数非齐次线性方程
 （9）
这就是四种场的统一方程，它的通解为
 (10)
式中 、 和 是由实验确定的常量： 是非齐次线性方程（9）的一个特解;  和 是齐次线性方程
(11)
的两个线性无关的解;。下面就分别来确定 、和的数学式：
1.1  的确定
设
（12）
式（11）则可写成形式为
（13）
若设
 （14）
式（13）又可写成形式为
 （15）
对式（14）求导，然后代入式（15）中，则知
 （16）
由此可解出
 （17）
也就是有 ，把式（17）代入式（14）知
 （18）
于是，由式（12）可得到
 （19）
1.2 的确定
由于是方程（11）的一个非零解，所以，在 时，还应有解
 （20）
把（19）式代入（20）式中，即可得到
 （21）
易验证，伏朗斯基行列式
 （22）
这表明上面导出的和确实是方程（11）在情形时的两个线性无关的解。在 < 情形时，其应恒等于零。
1.3 的确定
方程（11）是方程(9)在 情形时的结果，对于 情形，方程（9）还存在有一个特解，若取
 （23）
由式( 9)知，是非齐次常微分方程
 （24）
的一个特解。利用待定系数可得到
 （25）
把式（19）、（21）、（25）代入式（10）中，即可得到电场对单位电荷所做的功在情形时，有
（26）
在<情形时，因 ，有
 （27）
很明显，电场对单位电荷所做功相对是非线性的，它可分解为：（a）库仑电场所做的功：
 ＝
（28）
（c）核力场所做的功：
  （29）
至此我们把电力、核力统一到方程（9）中，其力的的表达式分别是：
 （28-1）  （29-1）
最近，日本物理学家首次从量子色动力学中精确计算出核子之间的强排斥相互作用，这意味着开启了理论核物理研究的新纪元。该研究成果发表在近期的英国《自然》杂志上。 所谓核子间的强排斥力，主要是指当原子核中的核子之间距离越来越小时，其引力变成的巨大排斥力。核子不是最基本的粒子，而是由更小的粒子—夸克组成。半个多世纪以来，人类对原子核的认知主要来源于实验。核物理学家通常利用著名的量子色动力学理论来描述原子核内部夸克之间的相互作用，量子色动力学解释了许多核物理现象，但科学家对原子核力性质的研究仍然是建立在经验基础上的，一直未能从量子色动力学中导出核子之间的强排斥力。 近年来，科学家利用格点量子色动力学来描述核子之间的强力作用发现，在任何量子问题中，夸克和胶子不是一个确切的粒子，而是一种场。为了研究夸克场和胶子场的运动，计算核子的性质，科学家在时空中建立一种4维立方晶格，利用大功率的计算机来计算核子之间的强力，并取得了一系列重要研究成果。日本研究人员正是在上述研究方向上获得了新的突破。研究人员计算了用6个分布很近的夸克组成的量子色动力学方程，在研究了2个核子的相对分布后，获得了核子之间的相互作用与距离之间的关系曲线。非常重要的是，该计算中使用了4个毫微米大的、能够放置2个核子的格点。
新研究成果的主要成就在于：以前用实验描述的有关核子间的相互作用都可以从这些计算中得到再现，也与实验结果能很好吻合，并首次从量子色动力学中导出了核子间强核排斥力的存在。这意味着开辟了理论核物理学研究的新篇章。
研究人员指出，上述成果可使物理学家重新检验以前通过实验获得的原子核的性质，并发现新的现象，也可能因此建立一种更新、更简单的核现象理论。
另外，这一成果对天文物理学研究有重要意义。利用精确的核作用理论能够更准确地计算出宇宙中中子星的大小，解释超新星的爆炸机理，进一步研究早期宇宙的物质形态，以及银河系的形成等宇宙演化问题。
参考文献：
【1】《物理》第32卷12期89页 2003年 北京
【2】《物理》第32卷11期 2003年 北京
|
评论
