改变真空中的力

时间:2023-11-25 10:29:03

真空中存在剧烈的活动,它会干扰穿过的电子,因而也会干扰带电粒子之间的作用力。当电场均匀地向三维空间内扩散时,电场力的逆平方定律可以描绘其基本性质。但是更精细的实验发现,真实的情况和定律的描述之间存在一个极其微小的偏差。如果以光速的百分之一运动,就能测到相对论效应。时间-空间的拉伸与交织,扭曲了简单的逆平方特性,导致当两个电荷相互靠近时,力增大的速度会比逆平方法则稍微加快一点。我们最熟悉的比如磁性等,都是相对论效应的直接体现。当两个电荷靠得更近一点,距离甚至小于原子尺度时,量子真空对力的扭曲就更加厉害了。

就像我们之前提到的一样,物体之间的力是通过携带能量和动量的粒子来传递的。对于电磁力而言,光子扮演了传递粒子的角色。如果光子在两个带电粒子之间传递的过程中不被干扰,力的逆平方法则就适用;但是,如果量子真空干扰了光子的飞行,以至于光子在途中波动生成了一对虚拟正负电子,那么力的强度就会发生轻微改变。实际上,正负电子对所带正负电荷的行为很像裸露电荷周围的包层,产生力的作用。在CERN中进行的实验证实,当两个电荷相互靠近,距离约氢原子半径的亿分之几——甚至不足氢原子核半径的1/1000,此时电磁力就会发生10%的增大。计算结果发现,如果距离继续靠近,力还会加速增大;当然现有的实验条件还不允许我们对此进行验证。现代的理论认为,“真实”的电磁力强度也许是我们宏观测量结果的3倍。当静电力帮助梳子吸附起几毫米外的纸张时,又或者当质子在原子尺度上捕获一个电子时,它们之间的力实际上已经被其间真空中潜伏的虚拟场内的电荷所影响而减小了。真实的电磁强度只有在极小的距离上才能显示出来,此时仅有最突出的涨落会发生干扰。

这个发现使得我们对于力的认识发生了戏剧性的改变。在核子内部其实还存在其他的力的作用,我们称之为弱强力,它们的名字就代表着它们相对于电磁力的大小。强力主要负责将原子核内带正电的组分——质子紧紧地凝聚在一起,以防止质子之间的电排斥力(“同性相斥”)将它们分开。而在质子和中子自身的内部,强力将夸克禁锢住。弱力的一种表现是β放射性,此时一种元素的原子核会变成另一种元素的原子核。正如电磁力靠光子传递,夸克之间的强力是靠胶子传递的,而弱力的传递依赖于带正电的W玻色子或电中性的z玻色子。这些粒子都会受到真空的干扰,只是方式不同。例如,胶子不会受电子、正电子以及光子的影响,但是当穿过夸克和反夸克组成的云团时,它就会被干扰,甚至它还会受到量子真空中潜伏的其他胶子的干扰。相比之下,W玻色子和Z玻色子都会受到带电粒子的干扰,也会受到两种几乎零质量的电中性粒子的干扰,即中微子和反中微子。

计算表明,真空的屏蔽效应在极短的距离上会消失,使得电磁力的强度增加。此时,胶子对于真空的不同响应会在类似的环境下减弱“强”力的强度。实验已经证实了这一点。凝聚原子核的这种强大的束缚力可以使得原子核保持稳定,它来源于真空在10-15 米距离上对于胶子的凝聚力。质子、中子以及所有大物质的质量,实际上都源于胶子真空在核尺度下的活动。这十分难以置信,但是又确切无疑。在理论计算时,假设量子真空起到了决定性作用,而最终的计算结果与实验完全匹配,无可置疑。不仅如此,匹配的结果还得到了一条诱人的线索:如果不是真空的作用,所有这些力的强度有可能会完全相同。如果这是真的,那就意味着自然界的力存在一个神秘的起源,而宏观尺度上发生的很多不同的现象,比如我们日常生活中的林林总总,都被我们存在于的这个量子真空所支配着。

远距离的这些力和性质都极小,所以真空的干扰基本无效。如果想感受到这些干扰,需要研究极高能量粒子的碰撞。在宇宙的早期,这种碰撞司空见惯,此时粒子的动能极高,最终体现为极度高温。粒子物理的“标准模型”中包含的力和真空的理论认为:在宇宙早期,最初的真空状态有一种对称相,其中这些力展现出相同的强度并且实际上是统一的。随着宇宙冷却,相变发生了,不对称态慢慢出现并渐渐替代了对称真空状态。宇宙早期仍然统一在一起的电磁力和弱力,我们称之为电弱力;而在宇宙大爆炸发生后约10-34 秒,温度高达1028 ℃,此时电弱力分解出了我们现在所谓的强力。

当宇宙温度继续降低,在约1015 ℃时,电弱力又继续分解出了我们如今所知的电磁力和弱力。这个温度相对来说就低多了,在CERN的实验装置上已经可以达到,科学家们正对此进行细节的研究。早期的相变导致了分离的强相互作用的出现,但这种相变与对称破坏截然不同。“弱”力之所以弱,缘于它是短程力,随着距离增大而迅速减小;它减小的速度比光子快得多,因此无法像电磁力一样可以到达无限范围中去。这种近程性意味着在长距离上它的作用会减弱,尽管在靠近时其实质上与电磁力相同的本身强度会显示出来。那么为什么弱力的延伸会这么小呢?要得到答案,得回到其载体——W玻色子和Z玻色子的性质上:虽然光子没有质量,但W玻色子和Z玻色子的质量却非常大,大约是质子质量的100倍。只有当碰撞的能量或者宇宙的温度足够高,以至于禁锢成玻色子mc 2 的能量显得微不足道,此时这些力才能显现出来。这就将我们引到了当前科学研究的前沿领域——真空的性质,包括质量的性质以及希格斯真空。