第16章 漫遊粒子世界(2)(2 / 3)

物體之間存在引力相互作用,人們不會有什麼疑問。然而,引力相互作用對於質量大的宏觀物體來說,比如天體,是非常重要的;但對於微觀粒子而言,由於質量很小,粒子間的引力相互作用同其他三種作用相比,完全可以忽略。

電磁現象是人們認識最早的自然現象之一,與我們日常生產和生活關係極為密切。因此,人們對於電磁現象及其相互作用基本規律的研究是比較早的,認識得也比較清楚。如今,已經建立起一整套比較完整的電磁理論。

一切帶電粒子或具有磁矩的粒子之間都存在著電磁相互作用。下麵的一些事例都屬於電磁作用過程:

π°→γ+γ

γ+p→π-+n

e-+p→e-+p

強子之間的相互作用屬於強相互作用。其中核力是強相互作用的一個重要標誌。此外,超子和介子的產生、重子和介子共振態的衰變等過程都是典型的強相互作用。人們對於這種相互作用的認識比前麵兩種相互作用要晚得多。對於強相互作用的理論研究至今也不過60餘年的曆史,還是一個年輕的領域。

至於弱相互作用,人們認識就更晚了。原子核β衰變過程、粒子壽命在10-10秒以上的不穩定粒子的衰變過程都是弱相互作用,弱相互作用是粒子間主要的相互作用之一。粒子大家族中,除了光子、膠子之外,幾乎所有粒子都參與弱相互作用。其中包括:

輕子-輕子相互作用過程,如μ-粒子的衰變:

μ-→e-+ν

輕子-強子相互作用過程,像π介子的衰變:

π+→μ++ν

強子-強子相互作用過程,典型事例有K介子的衰變:

K+→π++π°

前兩種情況中,粒子衰變過程伴隨有中微子的產生,這是弱相互作用的一個重要標誌,隻要有中微子出現,一定屬於弱相互作用過程。當然,並不是所有弱作用過程一定有中微子出現,如第三種情況。

作用力程

粒子間相互作用力程,一般是指作用力所能達到的範圍。引力相互作用和電磁相互作用都屬於長程力,作用範圍可以是“無限”遠。相互作用力的大小與兩個粒子之間距離的平方成反比。強相互作用和弱相互作用都是短程力。強相互作用的力程隻有10-15米,超出這個範圍,作用力迅速減小為零;弱相互作用力程更短,僅為10-18米,兩個粒子幾乎挨著的時候,這種作用才體現出來。

由此可見,四種相互作用力程,長程力與短程力彼此相差懸殊,反映出它們的性質存在著明顯的差異。

作用強度

強相互作用是粒子間各種相互作用強度之冠。如果以強相互作用為標準,來衡量其他幾種相互作用強弱的話,電磁相互作用為強相互作用的1/100;弱相互作用則為10-13;引力相互作用與之相比更相形見絀,隻是強相互作用的10-39。不難看出,強相互作用為粒子間相互作用中名符其實的大亨了。

為了形象比較這幾種相互作用本領的大小,我們假設有三種具有相同能量的粒子,比如說是100吉電子伏,但它們參與不同的相互作用形式。一種是核子,具有強相互作用;一種是μ粒子,具有電磁相互作用;另外一種是中微子,具有弱相互作用。將這三種粒子如同子彈,同時射向地球,結果大不相同。核子隻能穿進地球表麵30厘米就被吸收掉了;而μ粒子也僅僅穿進地球表麵300米便力氣耗盡;中微子則大顯神通,如入無人之地,輕而易舉地便從地球的另一麵穿了出來。按照它的能力,完全可以穿透300個地球。

作用時間

各種相互作用的時間彼此各異,引力相互作用時間為無限長;電磁相互作用時間約為10-16~10-18秒;強相互作用時間為10-22~10-24秒;弱相互作用時間大約在10-8~10-10秒。人們由作用時間的長短就可以判斷出相互作用的類型。因此,作用時間是描述相互作用性質的一種特征量,稱為特征時間。

對於某一種粒子,由它衰變經過的時間,也就是粒子的壽命,人們就可以斷定這種粒子是通過哪一種相互作用進行的衰變。例如,共振態粒子△++的壽命是57×10-24秒,那麼△++粒子衰變為質子和π+介子的過程,即:

△++→p+π+

屬於強相互作用。超子∑-的衰變時間為1.4×10-10秒,其過程是典型的弱相互作用。π°粒子經過0.83×10-16秒衰變為兩個光子,這歸於電磁相互作用的情況。

理論描述

粒子之間存在著幾種相互作用,那麼,這些相互作用是如何實現的呢?對這個問題的回答,曆史上有兩種不同的看法。一種認為粒子之間的相互作用,不需要任何中間媒介物,也不需要傳遞時間,這些作用是超越時空直接進行的,這就是所謂的“超距作用”。另一種則認為,相互作用的實現,不是超距作用,中間需要“搭橋”,依靠媒介粒子來完成的。為了探索相互作用規律,尋找中間傳遞相互作用的媒介粒子,人們建立了各種不同的理論。