基本粒子15︱四种基本作用力和四类基本粒子

这本教科书讲的是奇怪的粒子，但我临时改变了主意，认为前面提到的四种基本力和四种基本粒子的小总结粒子将帮助大家理解和掌握以下内容。

好了，我们先来说说四种基本力。你还记得我们之前提到过哪些力量吗？是强力、电磁力、弱力和引力吗？我们的世界上只有这四种力量。你之前知道的推力、摩擦力、支撑力都是电磁力的表现。

虽然这四种力量都是基础力量，但是它们的强弱和作用的地方是不一样的。从四大势力的名字就可以看出，势力是最强的。如果它的强度是1，那么电磁力的强度比他弱两个数量级，弱力比他弱10个数量级。引力最为奇特，弱的异常。比强力弱39个数量级。所以引力显然有问题，这是我们不理解它的原因之一。

好了，说完了它们的实力差异，接下来说说它们各自的作用。我们以万有引力为例，因为这是我们认识的第一个力，也是最常见的力。

显然，引力作用于宏观尺度，支配着宇宙中天体的演化和运动。例如，在宇宙膨胀中，引力起到了阻碍的作用。在太阳系中，是万有引力将地球束缚在太阳的轨道上，在地球上，地球上有光和热，才有生命诞生的机会。

不过，这里有个误区。有人认为引力并不弱。它可以束缚大地，大地也将我们牢牢地粘在地上。感觉重力很强。

确实很强，因为它是超多基本粒子的引力叠加的结果，但是对于单个基本粒子来说，它的引力小到可以忽略不计。因此，我们在计算基本粒子的力时，一般忽略引力的影响。

下面说说弱力。在上一篇文章中，我们提到了β衰变，π介子的衰变，以及μ介子的衰变过程。这些过程都有一个共同点，就是中微子的参与，而且这些过程的强度似乎也差不多，所以我们把这种支配中微子参与过程的力称为弱相互作用力。

电磁力对我们来说再熟悉不过了。这股力量非常广泛。无论是微观、宏观还是宇宙观，都有电磁力存在。你看，是电磁力结合了原子核和电子，它也是将分子结合在一起的电磁力。正是因为电磁力的存在，世界上才有了各种各样的物质。

其实说白了，只要有涉及光子的作用过程，就有电磁力。我们只是看东西，我们只是晒太阳。这背后是电磁力的作用。

我们上节课讲过，还有一个电磁力主导的衰变过程，比如一个π0介子会衰变成两个γ光子，这是一个典型的电磁力主导的过程。弱力越强，以电磁力为主的衰变过程就越剧烈，这也是π0介子的寿命比π+和π-介子短得多的原因。

据统计，我们发现如果粒子的衰变以弱力为主，那么粒子的寿命一般会在10^-15秒以上；如果衰变以电磁力为主，则粒子的寿命将为10^-20秒秒到10^-15秒的间隔。

那么我们也可以根据一个粒子的寿命来判断这个粒子的衰变是弱力为主还是电磁力为主。

最后说一下强大的力量。之所以这么强，是因为它抵抗质子的静电排斥作用，把质子粘在一起，形成各种形态的原子核。

虽然我们对强力的理解很晚，但是大约在1960年代和70年代，海森堡在早期提出了一个对于理解强力非常重要的概念，就是我们前面提到的isospin，意思是质子和中子是两个同一个粒子在强作用力面前的不同表现。唯一不同的是电荷不同，对应的是同位旋空间，即质子投射到同位旋空间的第三分量上。它朝上是+1/2，质子朝下是-1/2。

粒子的衰变不仅受电磁力和弱力支配，还受强力支配。由于强力是最强的，如果一个粒子的衰变以强力为主，那么这个粒子的寿命就会超短，一般不到10^-20秒。

好了，关于力我们大概了解了这么多，接下来说说我们已经知道的基本粒子。

最早的时候，我们知道有电子，然后我们发现了质子和中子，然后我们发现了电子中微子。由于电子和电子中微子是相关的，它们比质子和中子更重要，所以它们被称为轻子，而质子和中子被称为重子，这是最早按质量分类的。

然后我们发现了μ介子和μ介子中微子，以及三个介子π+、π0和π-。由于π介子的质量介于重子和轻子之间，故称为介子。

但是μ介子的质量是电子的207倍，和π介子差不多，不过他叫轻子，所以这时候发现按质量分类还不够。

所以我们干脆把所有参与强相互作用的粒子都叫做强子，然后在强子下面把它们分为两类，一类自旋是半整数，比如1/2，叫做重子，另一类自旋是整数，例如1和0，称为介子。

之前我们也说过，有一个代表重子的量子数，叫做重子数，比如质子和中子的重子数是1，反质子和反中子的重子数是-1。

代表轻子的量子数称为轻子数，如电子和电子中微子，μ介子和μ介子中微子，它们各自的轻子数为1，它们的反粒子的轻子数为-1。

介子，即，我们现在发现的三个π介子，它们既没有轻子数也没有重子数，所以在反应中不需要观察数守恒。

上图是我们现在知道的这些粒子的一些量子数，其中Q是电荷，L是轻子数，B是中子数，I是同位旋，I是粒子在同位旋上的投影方向空间第三分量

仔细看上图，这些量子数很重要，对于粒子来说，这些量子就像是它们的身份证，或者说是它们身体的指标。

如果你是光子，有人会问你，你的电荷、轻子数、重子数是多少？光子说，我都是0，如果你是质子，你的电荷是1，轻子数是0，重子数是1，同位旋是1/2，同位旋第三分量的投影是+1/2。

好了，今天的内容就到这里。