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比引力强1千万亿亿亿亿倍!“粘”住了夸克,强力是个啥?

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雨落伊人 2021-09-26 15:27

前几天我已经科普了四种基本相互作用力之一的弱力,今天重点科普一下强力。到目前为止,强力是人类发现最“有劲”的力,其作用强度高出引力39个数量级。当然它的作用距离也非常短,要不然整个宇宙都被强力束缚住了。强力和弱力一样,作用范围仅仅局限在原子核内,它们仅仅只能影响到原子核内的粒子。而不像引力和电磁力那样,不仅管得宽还管得广(宽是指:既影响微观粒子还影响宏观物体;广是指:作用距离大)。故事回到1918年,当卢瑟福打开原子核的奥秘后,人们在核中新发现了质子和中子,并一度认为它们是基本粒子。可事情并没有那么简单!按照物理理论,质子是带正电的粒子,而氢以上元素的原子核内至少有两个质子。原子序数越大,其原子核内的质子数越多。物理学家感叹到:带正电的质子们居然可以和谐相处!按照电磁理论,带同种电荷的粒子不应该排斥吗?

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于是科学家相信,质子并不是基本粒子,里面肯定还有更小的物质在作祟,要不然质子们不可能被束缚在10^-15m的核半径中。直到20世纪60年代,科学家通过直线加速器对质子和中子进行了弹性散射才揭开了质子内部的奥秘。现在我们知道质子和中子都是由夸克组成的。夸克还分三代六族,按照夸克的不同性质可以划分为三种“颜色”和六种“味道”。当然这里面所指的颜色和味道与日常生活完全不同,科学家只是借助这些词语描述夸克的某种特点。现在我们知道夸克们之所以能被束缚在核子中(质子或中子也可以称为核子),是因为强力的作用。强力有一个异于其他力的怪异特点。不管是引力还是电磁力,它们的作用强度都会随着距离的增大而减弱。而强力却反其道而行,夸克之间的距离越大,强力就越强。这也是夸克无法从夸克群中逃脱出来的原因。由于这种夸克禁闭效应,我们也就无法对单一的夸克进行测量,每次测量总是看到三个夸克或者两个夸克组合一起。为什么夸克总是两两成对或三者成群呢?四个夸克和五个夸克就不可以开黑组队吗?

五个夸克组成的复合粒子想象图或许四或五个夸克也能组成复合粒子,但是我们貌似还没有找到(前几年有新闻报道,科学家貌似找到四夸克组成的粒子,但只是有可能)。即便找到了它们,其既不稳定也不普遍。每个夸克都带一种“色”,叫色荷,一共有六种色荷。分别是红、绿、蓝、反红、反绿、反蓝。况且夸克们还一致表决:不管它们怎么组合,反正组成的复合粒子不能表现出“颜色”,也就是呈色中性。科学家发现带不同色荷的三种夸克或反夸克组合在一起就表现出色中性。所以才用三原色的概念演绎夸克的这种性质。第一种组合:三个夸克分别携带红绿蓝三种色荷,它们组合在一起就呈现出色中性第二种组合:三个反夸克分别携带反红、反绿、反蓝,它们组合在一起也呈色中性

第三种组合:带红色荷的正夸克拉上带反红色荷的反夸克就行,它两组合在一起也呈色中性,当然其他色荷的正反夸克组合也行。为了遵守色中性的约定,夸克们总是三正或三反成群,或者正反夸克成对。而绝大部分情况下,夸克都是三个组团的,中子和质子都包含了三个夸克。

传递强力的传播子是胶子,夸克之间就是通过胶子被拉拢在了一起,并体现出强力。现在问题来了,强力只是束缚住了夸克而已,但依旧没有解释为什么带正电的质子们不相互排斥的问题事实上,强相互作用力的传播子还“红杏出墙”。按理来说,你管好自家的夸克就行,但是强力还有一种溢出效应,传递强力的胶子总是会逃出一部分并游荡在质子与中子之间。

强力溢出效果图,小球代表胶子要知道在原子核尺度上,强力可是电磁力的137倍。溢出来的胶子虽然不多,强度也没有强力大,但也足以抵消掉质子之间的电荷排斥力,并且还盈余一部分力用于收紧质子与质子距离。俗话说得好,瘦死的骆驼比马大,谁让人家它爹是强力呢!

胶子在夸克间传递强力正是由于这种溢出来的胶子,才在核子间形成了残留的强力,并束缚住了核子,形成了原子核。把这种溢出来的力叫“残留的强力”也太土了,好似吃剩饭一样。于是“残留的强力”摇身一变有了新的名字─核力。核力主要任务是抵消质子间的电荷排斥,并拉拢质子和中子你可能会说,拉拢中子干啥,人家又不带电,不参与电磁力,中子和中子之间又不闹,靠引力拉住就行,为什么还需要核力?其实核力就是由传递强力的胶子组成的。但胶子却跟着夸克学“坏”了,并且具有了“颜色”,意味着胶子也有色荷。从核子中溢出来的胶子有色荷,它也得中和色荷,于是就找到其他也溢出来的胶子以中和掉自己的色荷。当然,如果胶子没有溢出来,它也参与夸克间的色荷中和。

大球代表夸克,小球代表胶子,箭头方向代表正反色荷胶子们为了在核子外中和自己的色荷,就和其他胶子靠拢,并形成了残留的强力。其实“残留的强力”(核力)的本质就是溢出质子或中子(或称核子)的胶子们为中和色荷所形成的“凝聚”力。与此同时,“残留的强力”可没有强力脾气那么大。强力在夸克之间作用时,会随着夸克距离拉大而增强。而“残留的强力”作用的对象不再是夸克了,而是核子,这是寄人篱下。所以它也没有强力那么大的脾气了,并和其他力一样规规矩矩了,它的强度会随着核子距离的拉大而减弱。虽然核力是强力的副作用,但却失去了强力的脾气。随着原子数目的增多,原子核中的核子也相应增多,导致核子与最远距离的核子越来越远,核力这时候就显得力不从心了,也就不能束缚住越来越多的核子了,于是原子核开始不稳定了,这也就是重元素原子结构不稳定的原因了。

重元素原子核易裂变如果核力遗传了老爹(强力)的特点,那么原子弹就造不出了。因为核子越多,核力就越强了,那时候重元素原子结构就会更稳定,于是铀、钚元素就不会核裂变了。

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