比引力強1千萬億億億億倍!可以給夸克「關禁閉」,強力是個啥?

2023-11-28     魅力科學君

原標題:比引力強1千萬億億億億倍!可以給夸克「關禁閉」,強力是個啥?

宇宙的運行規律是簡潔而優美的,比如說宇宙中所有的相互作用力,歸根結底,其實都是四種基本力的不同表現,它們分別是:引力、電磁力、強力和弱力。

在這四種基本力中,強力的作用強度是最高的,有多高呢?這樣說吧,它大概比引力強1千萬億億億億倍(10^39倍),而即使是與第二強的電磁力相比,強力的作用強度也高出了137倍,由此可見,這種基本力的名字,確實是名副其實。

那麼,強力到底是個啥呢?下面我們就來了解一下。

原子曾經被認為是構成物質的基本微粒,但後來科學家卻發現,原子其實是由原子核和電子構成,再後來,科學家又發現,原子核也有內部結構,它是由中子和質子構成。

於是一個問題就出現了,那就是:除了氫原子核是由一個質子構成之外,其它元素的原子核中都有兩個或兩個以上的質子,而質子都是帶正電的,它們相互看不順眼,會彼此排斥,那為什麼這些質子可以在原子核中相安無事呢?

對於這個問題,一個合理的推測就是,有一種未知的力在束縛著原子核內的中子和質子,而中子和質子內部也很可能別有乾坤。為了驗證這種推測,在20世紀中葉,科學家利用粒子加速器對中子和質子進行了大量的彈性散射實驗,並最終揭開了其中的奧秘。

原來,質子和中子是由一種更小的微粒構成,這種微粒就被稱為夸克。值得一提的是,由於在現代物理學中,夸克是不可再分的,所以夸克也被認為是一種基本粒子。科學家根據不同的性質將夸克分成6種不同的「味道」,分別是上、下、奇、粲、底、頂,每種夸克還有三種「顏色」,分別是紅、綠、藍。

這些夸克通過特定的組合,就可以形成像中子、質子這樣的復合粒子,比如說中子是由兩個下夸克和一個上夸克構成,而質子則是由一個下夸克和兩個上夸克構成。科學家發現,將夸克束縛在一起的相互作用力,是一種之前沒有見過的基本力,其作用強度很高,隨後這種相互作用力就被稱為強力。

後續的研究表明,強力是一種短程力,其作用範圍只有10的負15次方米,除了能束縛夸克之外,強力還可以給夸克「關禁閉」,什麼意思呢?

簡單來講,夸克之間的強力作用有一種特點,那就是在作用範圍之內,它的強度會隨著距離的增加而迅速增強,反之則會迅速減弱,這也被稱為「漸進自由」。

如此一來,如果我們想要把兩個被強力束縛的夸克分開,就需要輸入很高的能量,然而在輸入的能量強大到足以將兩個夸克徹底分離之前,我們輸入的能量就已經強大到足以在真空中激發出一對新的夸克,接下來,這一對「新的夸克」,會迅速地與我們想要分開的那兩個夸克分別結合成對,於是我們就得到了兩對夸克。

正因為如此,我們就無法得到單獨存在的夸克,這就好像是夸克被關了禁閉一樣,它們只能被「關」在某種夸克組合之中,而不能獨自行動,所以這種現象就被稱為「夸克禁閉」。那麼,強力又是如何將原子核內的中子和質子束縛在一起的呢?我們接著看。

我們知道,光子是傳遞電磁力的基本粒子,實際上,強力也是通過一種基本粒子傳遞的,這種基本粒子被稱為「膠子」,也就是說,在中子和質子的內部,除了夸克以外,還存在著「膠子」,它們負責傳遞強力。

然而「膠子」卻是一種不太「安分」的基本粒子,它們總是會有一部分游離到中子和質子之外,這也被稱為「溢出效應」,這種效應就使得質子和中子之間也會產生相互作用力,進而形成原子核,所以這種相互作用力就被稱為核力。

從本質上來講,核力其實也是強力的一種表現,我們可以簡單地將其理解為,核力其實是像中子、質子這樣的復合粒子內部強力的殘餘作用,所以核力就要相對弱一些,假如一個原子核內的中子和質子數量過多,核力就無法對其形成有效束縛,而這就是很多重元素的原子核結構不穩定的原因。

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