這種說法最早是誰提出的?

這種無視 Yukawa 和可能的標量自相互作用的說法,是否有實際價值?(比如可以解釋為有四種規範相互作用,有什麼意義嗎?)

還是說在發現希格斯粒子之前的保守說法?現在既然希格斯粒子已經發現好幾年了,是不是應該更新這個說法?


四種基本相互作用指的是現代粒子物理標準模型建立後人們的普遍認識。這個事情大概在上個世紀60年代就應該沒有什麼疑問了。其中強,電弱理論都可以在 [公式] 為規範對稱羣的 Yang-Mills 理論框架裡面構造描寫。引力是比較特別的,描寫引力的廣義相對論不像標準模型的 Yang-Mills 理論那樣可重整;不過在幾何上面,廣義相對論裡面的聯絡/Ricci 張量和 Yang-Mills 裡面的 potential/field strength 看上去很像。

討論所謂的「四種基本相互作用」是有實際意義的。學過電磁學之後,大家都知道在只看靜止電荷或者磁場的時候,「電」和「磁」看上去是完全不同的力,或者相互作用。考慮了電荷或者磁場的運動後,大家瞭解了電和磁實際上是可以統一的從Maxwell 方程來描述運動規律。用電動力學的語言來描寫的話,這兩種場可以很緊湊的寫到一個 [公式] 的電磁場張量裡面去。弱相互作用,強相互作用這兩個事情主要是戰後50-60年代一系列實驗證據和量子場論(主要是 Yang-Mills 的建立)的不斷完善基礎上構造出來的。所謂的四種基本相互作用這個說法,是由於大家發現強,弱,電磁相互作用都可以用規範理論的語言來描寫。在70年代甚至產生了把三種規範相互作用試圖統一起來的Grand Unification Theory (GUT)。當然GUT 本身也是用Yang-Mills 的框架來描寫。最後把描述引力的廣義相對論融入規範理論的努力從愛因斯坦時代就開始了(比如 Kaluza-Klein theory),這個更是現代弦論誕生的最主要動機。

Higgs 機制是描述的電弱對稱性怎麼從 [公式] 破缺的。Higgs 這樣一種標量場,它自然就能和標準模型費米子(除了中微子)構造出來 Yukawa 相互作用。之前的一個問題裡面 (知乎用戶:「上帝粒子」希格斯玻色子常見衰變終於被捕獲,有什麼重要意義?), Higgs 到 [公式] 的衰變已經被證實找到,那麼Higgs 有和標準模型費米子的 Yukawa 相互作用是證實了。另外,最簡單的 Higgs 標量勢(以及其他各種更複雜的Higgs 標量勢)自然的會給出來Higgs的自相互作用。在LHC 實驗上直接測量Higgs 自相互作用需要來直接尋找Higgs 對產生過程,這個事情本身是極其困難的。據我所知沒有超出標準模型的新物理這在LHC 上是沒可能的。CEPC 或者 ILC 在 240 - 250 GeV 的運行不能直接產生 Higgs 對,故而也無法測量這種 Higgs 自相互作用。ILC 如果能升級到 500 GeV 運行會有機會直接測量標準模型的Higgs 自相互作用,當然這個取決於最後取數據量有多少。原則上100 TeV 的 SppC也能做,不過我還沒見過相應的分析。這個在實驗上是漫長的過程,如果能夠通過直接發現Higgs 對來測量出標準模型Higgs 的自相互作用,這對我們理解Higgs 的基本屬性有極其深刻的意義。

當然,在(如果)發現Higgs 自相互作用後,我們怎麼理解這些相互作用和規範相互作用的關係,這個是更大的話題。在沒有直接實驗證據前理論學家只能做一些理論自洽的猜想。


導讀:迄今為止物理學家們已經發現了宇宙可見物質中全部的四大基本力,所有觀察到的物理現象本質上都能用四種基本相互作用力得到描述和解釋。也正因為如此,無數物理學家們渴望把四種基本力綜合到一起,成為一個完善的物理學終極理論,也就是愛因斯坦晚年致力於的「大統一理論」

由於我們的宇宙是由微觀粒子構成的,因此粒子之間的萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力決定了宇宙中的一切,相比其他三個基本力,引力是我們最為熟悉的,但它卻是最弱的力,日常生活中的小質量物體之間的引力作用基本忽略不計也感覺不到,但在天體運行中可以清楚的感覺到引力的存在以及帶來的影響,熱映的《流浪地球》中就用到了木星的引力彈弓效應。

本章將帶你瞭解四種基本力的作用和聯繫。主要內容摘錄自靈遁者先生書籍《變化》

正文如下:

引力:引力是一種時空性質,使得物體和能量具有相互吸引的作用叫引力。

電磁相互作用:即是帶電粒子與電磁場的相互作用以及帶電粒子之間通過電磁場傳遞的相互作用。它是自然界的一種基本相互作用。電磁力遵循庫侖定律。

強力作用:強相互作用是自然界四種基本相互作用中最強的一種。最早研究的強相互作用是核子(質子或中子)之間的核力,它是使核子結合成原子核的相互作用。自1947年發現與核子作用的π介子以後,實驗中陸續發現了幾百種有強相互作用的粒子,這些粒子統稱為強子。

弱相互作用(又稱弱力或弱核力)會影響所有費米子,還有希格斯玻色子;弱相互作用是除引力相互作用外唯一一種對中微子有效的相互作用。次原子粒子的放射性衰變就是由它引起的,恆星中一種叫氫聚變的過程也是由它啟動的。

他們的特點:

引力作用:1、長程力,無限長。

電磁作用:1、長程力,無限長。

強相互作用:1、短程力約為10的負13釐米。

弱相互作用1、短程力約為10的負17米到10的負16米。

接下來我再來瞭解一下統一理論的研究過程:

首先是弱電統一理論

60年代格拉肖、溫柏格、薩拉姆三位科學家提出弱電統一理論,把弱相互作用和電磁相互作用統一起來,這種統一理論可以分別解釋弱相互作用和電磁相互作用的各種現象,並預言了幾種新的粒子,他們因此榮獲1979年諾貝爾物理學獎,1983年實驗發現了理論中預言的粒子,進一步證明瞭理論的正確性。

1973年,美國科學家帕提和薩拉姆提出了統一描述夸克和輕子的帕提-薩拉姆模型,預言了質子的衰變。

今天我們已經知道自然界一共有4種相互作用,這4種相互作用強度大小和作用範圍都相差懸殊,也大相徑庭。例如,引力的強度只有強相互作用力的100萬億億億億分之一,引力的作用範圍卻非常大,從理論上說可以一直延伸到無限遠的地方;而強相互作用力的範圍卻很小很小,只有1釐米的10萬億分之一,說強相互作用力是短程力;弱相互作用力也是短程力,力程不到1釐米的1000萬億分之一,強度是強相互作用力的1萬億分之一;電磁力與引力一樣是長程力,但它的強度要比引力大得多,是強相互作用力的1/137。

4種相互作用在性質上看來有明顯的差異,然而科學家們卻在思索:自然界為什麼有這4種相互作用?這4種相互作用是否只有差異而無共同之處?

這4種相互作用能不能在一定條件下得到統一的說明?從科學史來看,第一個認真思索並付諸行動的是物理學家愛因斯坦。愛因斯坦在完成廣義相對論的理論建設後,就一直在考慮能不能把引力相互作用和電磁相互作用統一起來。

從60年代起,溫伯格就著手弱相互作用與電磁相互作用的統一。統一之路並不平坦,溫伯格甚至不清楚該從哪裡入手。從50年代末到60年代,在基本粒子理論領域裡,對稱性自發破缺理論獲得了較大的發展。

例如,李政道和楊振寧在1956年就已發現弱相互作用裏的一種破缺對稱性(即破缺手徵對稱性)。所謂對稱性自發破缺理論,通俗地說,它認為一些不同的現象或規律可追溯到同一源頭,最初有著共同的對稱性,後來由於種種原因對稱性被自發地破壞,這樣我們就可以從對稱性來研究它們的共性,從對稱性自發破缺機制來研究它們的特殊性。

1965年起溫伯格也開始了關於對稱性自發破缺理論的研究,並漸漸意識到這將是通向相互作用統一理論的合適道路。1967年秋,溫伯格終於確定弱相互作用和電磁相互作用可根據嚴格的、但自發破缺的規範對稱性的思想進行統一的表達。他的理論結果發表在這一年的《物理評論快報》上,題目是「一個輕子的模型」。

這是科學上第一個成功的相互作用統一理論。理論中所預言的中間玻色子W和Z,在1983年被歐洲核子研究中心找到。弱電統一理論的成功,肯定了相互作用統一思想的正確性,促使許多科學家進一步去研究把強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用統一在一起的大統一理論,以及把引力相互作用也統一進去的巨統一理論。

發展到後來的強、弱、電磁三種作用統一理論

70年代中期,人們進一步提出強、弱、電磁三種作用統一的大統一理論。也就是規範場論,規範場論在物理學上具有非常重要性的地位,它精確地表述了自然界的三種基本力的實驗預測,它是一個規範羣為SU(3) × SU(2) × U(1)的規範場論。規範場的理念最早由外爾提出,楊振寧的楊-米爾斯理論為現代規範場論打下了基礎。

規範場論 (Gauge Theory) 是基於對稱變換可以局部也可以全局地施行這一思想的一類物理理論。非交換對稱羣的規範場論有時也稱為楊-米爾斯理論。物理系統往往用在某種變換下不變的拉格朗日量表述,當變換在每一時空點同時施行,它們有全局對稱性。規範場論推廣了這一思想,它要求拉格朗日量必須也有局部對稱性—應該可以在時空的特定區域施行這些對稱變換而不影響到另外一個區域。這個要求是廣義相對論的等價原理的一個推廣。

上面就是關於宇宙四種基本力的定義,和統一理論簡單的過程。為什麼引力不能納入到規範場論中來。

就是我上面說的,引力是時空性質,其他三種力都是物體,粒子在時空的具體物質性質表現。所以甚至可以說只有引力是宇宙基本力,其他的三種力為附屬基本力!也就是說正確的思路,思維應該是這樣的。如何將其他三種力納入到引力範疇中來。

有兩個攻克方向:1、引力是時空性質,時空是能量時空。所以將引力能量化,和量子力學去接近,纔是正途。

2、能量時空必須量子化,建立一個微分的非線性波動方程,或者方程組,這樣才能將現有的規範場論規範羣SU(3) × SU(2) × U(1)的理論收納進來。

任何量子粒子的波粒二象性和自發性破缺,不缺定性原理都告訴我們宇宙是一個即確定又不確定的宇宙。

宇宙的不確定性在於它的「自發性」,這是一個真理! 就好像上一章討論的引力與電磁力的關係時,我們說光即是一種電磁波,又是一種質量波,能量波。那麼大質量物體偏轉它的時候,我們是說大質量物體作用的是質量,能量,而不是「電磁」,但電磁本身需要物質粒子作為載體,就自身不可避免的被牽涉進來。自己又說不清自己,這就是宇宙的奇妙和矛盾之處。

這種奇妙之處的具體體現是什麼呢?有一個就是平方反比定律。所以我也不認為牛頓引力公式的平方反比和庫侖定律的平方反比是偶然。顯然不是偶然,是有深意在裡面的。就是上面我所說的,他們好像有糾纏,甚至是不可分離的。

但它們不是同一種力,也就是引力和電磁力是兩碼事,不是同一種力,有本質區別!

摘自獨立學者,科普作家,藝術家靈遁者書籍《變化》


不是從u1電磁到楊米爾斯的電弱再到強相互的su3一步步發展的麼


科學界正在等一個人出現


本人只會電磁學,但是四種基本力還是有不少作用的。

比如為什麼極化電流與位移電流沒有熱損?因為摩擦力的本質是電磁力,而極化與位移電流是不存在電磁力壓迫的。


瀉藥,

大概是人們總結出來的吧。畢竟要是個人提出來的話我都懷疑他是穿越了……

現在教科書裏還有四大基本作用力而沒有講到上帝粒子呢!(大學以前)畢竟……希格斯粒子這種東西還是太玄乎了…是屬於看不見摸不著類型的。

而且四大基本作用力的話都是有條件的……沒事還是多看點書吧……


四種基本力的祕密在於先了解光子和中微子,

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laobaojiang:質能相對論?

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