5.4.2 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   直接存在于带电的粒子之间。

4、强相互作用   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   电磁相互作用   弱相互作用   引力相互作用

     1                              

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。

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 、 、和种弱介子。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     其他

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。

可以认为光子具有质量。设星体是一个质量为M，半径为R的均匀球。则质量为m的光子在星球表面所受到的引力为

光子以光速c作半径为R的圆周运动的向心加速度。当引力大于向心力时，光子不会外溢，即f>ma有：

从上式可得

可以认为就是黑洞的临界半径（从广义相对论所得结论为）。

对于太阳，可结算它演变成黑洞时的临界半径的数量级为。

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

由于黑洞的临界半径为    。

所以                 。

4．3．2、引力红移

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mgz。其中 ，所以当高度改变 ，频率就会改变

即            

这说明频率v发生了红移