第五种力即将被发现?停滞100年的物理学,难道要有突破了?

星空承载梦想 2024-05-14 08:39:04
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现代科学认为,人类诞生于200多万年前,当时地球上生活着各种各样的生物,猿类生物为了能够长久的发展下去,于是它们选择了群居生活,群居生活不仅仅能够有效的抵抗外来侵略者,还能够促进彼此之间相互交流的机会,科学家经过研究发现,频繁的交流能够使猿类的大脑变得越来越聪明,由于猿类长期在一起生活,所以猿类的大脑变得越来越聪明,最终成功进化为人类,人类作为地球上最有智慧的生命,从诞生以后就开始不断的研究和探索世界的奥秘,现在人类已经能够走出地球探索宇宙,这说明人类科技发展的速度很快。人类之所以能够有如此之快的发展速度,离不开科学家做出的贡献。在人类历史上,出现了很多伟大的科学家,比如说牛顿、爱因斯坦、哥白尼、伽利略等等。

这些科学家为人类的发展起到了非常重要的作用,根据科学家的研究我们能够知道,在宇宙中存在四种基本作用力,这四种基本作用力对宇宙的影响非常巨大,第一种基本作用力就是引力,一说到引力,很多人都会想到牛顿,牛顿是第一个发现引力的人,据说在1666年的夏天,当牛顿坐在沃尔索浦的一棵苹果树下乘凉时,一个成熟的苹果掉落在他的脑袋上,从而令他联想到引力。虽然这看似一个传说,但牛顿本人也承认这个说法。牛顿的万有引力理论是力学史上的一项重大突破。它彻底改变了我们对宇宙运行规律的认识,引力给我们提供了一种普适的解释,能够描述天体间相互作用和运动规律,通过研究物体之间的引力,牛顿成功解释了行星运行、月球轨道以及地球上物体的自由落体等现象。

他提出了一个定量的引力公式,即万有引力定律,通过引入质量和距离的概念,量化了物体之间的相互吸引力,这一公式的应用范围广泛,不仅仅适用于地球上的物体,还能够解释整个宇宙的运行,不过牛顿的万有引力定律并非最终的定论,随着科学的进步,爱因斯坦的广义相对论在20世纪初提出,对引力的理解提供了全新的解释,爱因斯坦指出,引力并非自然界的力,只是由于质量从而导致的时空弯曲,是一种几何现象,其程度会随着质量的增大而增强。按照爱因斯坦的解释,引力其实是不存在的,他只是时空弯曲的一种表象,在1919年日全食的时候,科学家分别在不同的地方进行了观测,最终得出的结果和爱因斯坦预测的是一样的。

爱因斯坦认为,质量才是引力的根本,这就像是一块石头丢进水里,就会产生涟漪或者旋涡,由此影响周围的物质,这种扰动表现出的现象就是时空旋涡,这种旋涡会影响在这个范围物体的运动,产生相互掉进对方陷阱的现象,我们看到的就是物体的相互吸引,这其实就是引力,一般来说,质量小的物体引力非常微弱,因此一般很难表现和测量出来,到了大质量的天体,时空漩涡就会越猛烈,小的物体经过时就会掉入这个漩涡,看上去就被大天体吸引过去了,研究引力不仅仅能够加深人类对自然界重要法则的理解,还能够推进相关基础学科和应用技术,对人类的发展意义深远。

第二种力就是电磁力,电磁力是一种作用于带电粒子之间的力,也称为洛伦兹力。它是由电荷的相互作用而产生的,异性电荷之间相互吸引,同性电荷之间相互排斥。电荷的大小决定了粒子之间电磁力的强度,电荷越高,电磁力越强。而且即使两个带电粒子相隔无限远,它们之间的电磁力仍然存在,只是会非常非常的微弱。电荷是基本粒子的内秉性质。只有带电粒子或带电物质(带有净电荷的物质)才能够感受到电磁力,也只有带电粒子或带电物质才能够形成电场、磁场或电磁场来影响其它带电粒子或带电物质。在1905年爱因斯坦预言后被证实,其作用范围无限远。相对于我们生活中,比较容易感觉到的引力相比,电磁力非常神秘,我们看不见也摸不着。

伟大的麦克斯韦实现了电力和磁力的统一,实现了一次科学大飞跃,电力和磁力统称为电磁力:运动的电荷相互间除了有电力作用之外,还有磁力的作用,光子是传递电磁力的媒介,磁力实际上是电力的一种表现,在我们的生活中,遇到的大部分力是电磁力的表现,第三种力就是强相互作用力,这是一种只在微观尺度上起作用的基本力,它可以使夸克之间产生强大的吸引作用,进而形成像中子、质子这样的复合粒子,这种由强相互作用力形成的复合粒子被称为强子(hadron),除了形成强子之外,强相互作用力还有一个残余效应,这种效应使得质子和中子之间也会产生强大的吸引作用,进而形成原子核。强相互作用力发现于20世纪中期,科学家在利用粒子加速器将高能粒子撞击原子核的时候发现的。

在被撞碎的原子核的碎片中,不但存在质子和中子,还存在着一些其他类型的粒子,并且这些粒子的寿命非常短暂,它们很快就会发生衰变,于是科学家推测,这些粒子是由更小的基本粒子组成的,这种基本粒子就是夸克,强相互作用力有一个特点,那就是在其作用范围内,它会随着距离的增大而迅速增强,也会随着距离的减小而迅速减弱,这被称为“渐进自由”。这种现象就会导致想要将两个夸克彼此分开,就必须输入很高的能量,而且能量大到足以将两个夸克彻底分离之前,输入的能量就足以激发出一对新的夸克,这时候旧的夸克还没有分开,新的夸克就已经诞生了,在此之后,旧的夸克和新的夸克又会快速的结合在一起,进而形成两对夸克。

第四种力就是弱相互作用力,这种基本作用力发现于20世纪初,当时的科学家观察到,一些具有放射性的元素会自发地发射出电子或正电子等粒子,并使得原子核发生变化,这种现象被称为“β衰变”,在此之后,科学家逐渐意识到,造成“β衰变”的是一种新的基本力,并将其称为弱相互作用力。其机理是这样的,原子核内的质子在弱力的作用下,质子内的一个上夸克变成了下夸克,这个质子就不带电了,变成了中子(质子、中子和夸克的关系老妖会再写一篇文章解释),同时这个过程会释放出一个W玻色子,但这个W玻色子的寿命非常非常短暂,它很快会衰变成释放出一个正电子和一个电子中微子,这叫“正β衰变”,也就是说在弱相互作用下,一个质子变成了中子。

弱力和强力一样,都是微观尺度的力,首先它是真的弱,在有作用时,其力度也只有

牛,是仅次于引力的第二弱的力。从人类发现四种基本作用力之后,人类利用这四种基本作用力解开了宇宙中很多的奥秘,但是即便如此,在我们的宇宙中,依然存在很多人类无法解释的奥秘,难道说宇宙中还存在其它的基本力?在2016年的时候,匈牙利科学家通过实验发现了一种未知的粒子,他们对研究结果进行分析之后发现,这种粒子很可能就是自然界中存在的第五种力,2016年一个匈牙利的研究小组通过实验发现,用一束强烈的质子束去轰击了锂-7靶,锂-7粒子会变为铍-8粒子,并同时放出正负电子对,但是观测到的电子对比理论预期要多,这一现象无法被常规的粒子物理学解释。

科学家认为存在一种新粒子,质量大致为电子质量的32.7倍,或质子质量的2%,导致了这一反常现象,美国加州大学尔湾分校(UCI)研究团队对匈牙利科学家的数据进行了进一步研究发现,新发现的粒子仅同电子和中子相互作用,且作用范围十分有限,相互作用非常微弱,这有可能就是人们一直在寻找的第五种力。第五种力一直被视为能够解释宇宙奥秘的关键,宇宙的演化是数亿年来人类的未解之谜,虽然现在科学界普遍认为宇宙诞生于138亿年前的大爆炸,在138亿年前,有一颗奇点发生了爆炸,奇点是一个质量无限大、能量无限大、热量无限大、密度无限大、体积无限小的点,这个点爆炸以后,我们的宇宙快速的向四周膨胀,经过138亿年的时间,宇宙才膨胀成我们现在所看到的样子。

宇宙大爆炸理论基本没有问题,但是也存在一些缺陷,如果利用目前人类已知的四大基本作用力来解释宇宙的演化,还无法自圆其说,所以科学家认为,宇宙中应该还隐藏着一种基本作用力,而这个基本作用力也许能够解释宇宙中的暗物质和暗能量,暗物质和暗能量在很早的时候就被科学家提出来了,科学家认为,在我们的宇宙中,应该存在一种我们看不见也摸不着的神秘物质,这种物质就是暗物质,它不会和其它任何物质发生化学反应,而这种物质能够释放出一种非常强大的能量,这种能量就是暗能量,暗能量不仅仅能够推动宇宙的膨胀,还能够控制天体之间的运动,我们的天体之所以能够稳定的在宇宙中运动,除了受到引力的影响之外,还受到了暗能量的影响。

不过到现在为止,科学家还没有找到暗物质和暗能量,对于它们科学家也只是猜测,或许只要我们能够找到第五种基本作用力,科学家就能够发现暗物质和暗能量,为了寻找第五种基本作用力,科学家们也做了很多努力,在2022年中国科学技术大学杜江峰院士团队与南京大学黄璞教授、何建华副教授等组成的联合研究组,对一种重要的暗能量理论——变色龙理论进行实验检验,未发现该理论预言的“第五种力”,从而排除了其作为暗能量的可能,这是所有暗能量理论中首个确定性的实验检验。变色龙理论是指传递力的粒子会根据周围环境的物质密度而改变其质量,从而改变其强度和作用范围,在质量大的地方,作用范围就小,在星系之间质量小的地方,作用范围就大,假如它恰好是斥力,就可以解释宇宙为何加速膨胀。

寻找第五种基本作用力不仅仅能够让人类的科技有很大的提升,它或许还是统一相对论和量子力学的关键,在四种基本作用力中,相对论能够很好的解释引力,但是无法解释电磁力、强相互作用力和弱相互作用力,而量子力学能够解释电磁力、强相互作用力和弱相互作用力,但是却无法解释引力,既然宇宙中存在这些基本作用力,那么就说明,只需要一种理论,就能够将这些基本作用力全部解释清楚,如果无法解释清楚,那么就说明人类提出的理论还存在一定的缺陷,这也是科学家一直在寻找第五种基本作用力的原因,想要彻底解开宇宙的奥秘,人类必须将宇宙中所有的基本作用力全部解开,这样才有可能解开宇宙诞生的奥秘,小编希望人类能够早日实现自己的梦想,对此,大家有什么想说的吗?

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星空承载梦想

简介:本人爱好天文,擅长写科学领域的文章