中微子和夸克：一篇文章读懂 中微子 夸克

中微子和夸克：一篇文章读懂 中微子 夸克对，这两个公式在形式上竟是如此接近，这真的只是一种巧合吗？还是有更深层次的东西在里面？你肯定会问，这是一本科普书籍，有必要罗列这些公式吗？但是，如果你仔细对比一下万有引力定律和库仑定律这两个公式，你就会发现一个有趣的现象。是什么呢？电磁力的计算公式是库仑定律：式中，F 是两个物体之间的电磁力，K 是库仑常数，q1 和q2 是两个物体所带的电量，r 是两个物体之间的距离。图片来自网络

式中，F 是两个物体之间的引力，G 是万有引力常量，m1 和m2 是两个物体的质量，r 是两个物体之间的距离。

2. 电磁力

带电荷的粒子会相互吸引或者相互排斥，这种力就叫电磁力。电荷间同性相斥、异性相吸。就像质量一样，电荷也是粒子的基本性质。原子中电子带负电荷，质子带正电荷，大小都为e（e=1.6×10−19 库仑）。因为正、负电荷相互抵消，所以原子是电中性的。虽然夸克具有分数电荷，但夸克不能被单独探测到，所以e 是电荷的基本单位。

电磁力比引力强得多，两个电子之间的电磁力比引力大36 个数量级。好在我们常见的物体都是电中性的，所以不会产生强大的吸引力或排斥力。

电磁力的计算公式是库仑定律：

式中，F 是两个物体之间的电磁力，K 是库仑常数，q1 和q2 是两个物体所带的电量，r 是两个物体之间的距离。

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你肯定会问，这是一本科普书籍，有必要罗列这些公式吗？但是，如果你仔细对比一下万有引力定律和库仑定律这两个公式，你就会发现一个有趣的现象。是什么呢？

对，这两个公式在形式上竟是如此接近，这真的只是一种巧合吗？还是有更深层次的东西在里面？

3. 弱力

弱力会导致原子核的β 衰变（质子和中子间的一种转变），带来放射性。

4. 强力

强力将夸克“胶结”在质子和中子内，又把质子和中子紧紧束缚在一起形成原子核。

大家对强力和弱力比较陌生，是因为它们是作用在原子核尺度范围内的力，超过原子核尺度以外就完全失去作用了。强力是四种力里强度最大的力，比电磁力强100 倍。挤在原子核里的质子因电磁作用而相互排斥，多亏了强力才把它们紧紧束缚在一起。

物体之间产生的各种力都不是凭空就能相互作用的，而要靠一定的粒子来进行力的传递。

强力的传递粒子是胶子。胶子共有8 种，静止质量为零，电荷为零，具有色荷。

弱力的传递粒子是W 粒子和Z 粒子。W 粒子有两种，质量相同但分别带一个正电荷和一个负电荷，记为W 和W−粒子。Z 粒子是一种电中性的粒子，记为Z0。

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引力的传递粒子是引力子。这是物理学家预言的，因为到现在还没有找到引力子。如果能找到引力子，它应该是一个静止质量为零，电荷为零的粒子。

电磁力的传递粒子就是光子。两个带电粒子之间的电磁力是通过互相交换光子而产生相互作用的。

在力的传递粒子中，光子、胶子、引力子静止质量均为零，而W 粒子和Z 粒子却有静止质量，而且非常大。W 粒子的质量是电子的157400倍，Z 粒子的质量是电子的178450 倍。

表17-1 给出了四种基本作用力的性质对比。

17.6 上帝粒子：希格斯粒子

为什么有些基本粒子具有静止质量，而有些基本粒子的静止质量为零？英国物理学家彼得·希格斯提出的一种物理机制可以解释这问题。

可以说，希格斯机制是宇宙中物质质量的来源，是物质世界诞生的基础。按现有理论，所有粒子原本都是没有质量的，是希格斯场赋予了它们质量。希格斯场是一种原本不可见的、遍及整个宇宙的能量场。如果没有希格斯场，就无法生成质量，也无法构建任何东西，那么恒星、行星、生命就无从诞生了。

电磁力和弱力在宇宙起源之初的高能状态下本来是一种统一的电弱力，W 、W−、Z0 和光子原本都没有静止质量，统一的电弱力具有比较高的对称性。但是随着能量的降低，这种对称性自发破缺，统一的电弱力分解为电磁力和弱力。在这个过程中，W 、W−、Z0 等粒子与希格斯场作用获得了质量，而光子未参与这种作用，静质量仍为零。