大学物理——大统一理论

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1、大统一理论检索一：【题　名】《浅析大统一理论》【作　者】钮蒸，刘俊红，吴淑花【出处】《石家庄师范专科学校学报》第5卷第6期【内容】0前言一切自然现象都是受自然规律所支配的，也就是说，自然现象仅是自然规律在各种不同条件下的表现。因此，众多的科学家总是想方设法用最综合的概念来描述自然规律，从而解释各种错综复杂的自然现象。我们知道，在经典物理学中，有两位著名的物理学家——牛顿麦克斯韦，他们在统一自然规律方面作出了巨大的贡献，从而名垂千古。17世纪，牛顿在研究宇宙行星运动规律时，把行星绕太阳、月球绕地球、太阳系绕银河的运动，以及地球对其上面物体问的吸引统称为一种力的作用，称为万有引力，并得

2、到万有引力定律。正是由于种力的作用，使得宇宙问各天体组成了和谐的大家庭。19世纪下半叶，麦克斯韦成功地把现象和磁现象统一起来，指出了电力和磁力是本质上相同的力，并得到了著名的麦克斯韦方程组，证明了光就是二者统一的一种表现形式。众所周知。宇宙中的一切物质都在做变速运动，无论这种变速运动是什么样的形式，都与力密切相关。因为支配物质行为的就是力。因此要想最大限度地统一自然规律的描述。就必须把各种形式的力统一为一种力在各种不同条件的表现。经过物理学家们近100年的艰苦努力，包括理论上的探究、实验上的摸索和验证，在20世纪中后期已将自然界各种不同的相互作用力统一为4种自然力：引力、电磁力、弱

3、核力和强核力。余下的工作就是如何将这4种力进一步统一。粒子理论的不断发展和爱因斯坦晚年的大胆构思为建立大统一打下了良好的基础。l粒子理论下的4种基本相互作用目前，人们从粒子论中已经认识到，一切能观察到的物质是由4种基本粒子组成的(并非最小粒子)：2种重子，即质子(P)和中子(，2)；2种轻子，即电子(e)和中微子()，它们相互接近时，其行为是由以上4种自然力支配着。粒子论指出，组成物质的基本粒子之间不会直接发生力的作用，而是通过发射和吸收传递力粒子而产生通常称之为力的效应的。物质粒子发射出传递力粒子而产生反弹，传递力粒子与加外物质粒子碰撞而被吸收，这样一发一收，即两个物质粒子由交换

4、传递力——而使其速度发生改变，如同它们之间产生了力的作用。1．1两种长程力——引力和电磁力当物质粒子发射的传递力粒子质量为零时，则在大距离上可以进行交换，称为长程力。引力——所有物质粒子(P、”、e、)都能感受到这种力。它是由自旋为2、质量为零的引力子传递的。电磁力——只有带电粒子(P，e)之间才能发生这种力的作用，它是由于自旋为1、质量为零的虚光子(与能级跃迁发射出的实光子不尽相同)传递的。并且只有带电的物质粒子才能发射和吸收这种传递力粒子。需要说明的是：引力子和虚光子都是虚粒子，不能通过实验的方法探测到它的存在，但确实产生了可以测量的效应，即引力和电磁力的存在。1．2两种短程力

5、——弱核力和强核力当物质粒子发射的传递力粒子具有一定的质量时，则不可能在大距离上产生交换效应，因称为短程力。这种力只有在原子核内表现出来。弱核力——所有的物质粒子(P、”、．)当它们之间的距离小于l0m时，可产生弱核力的作用，这种力制约着放射性现象，它是由自旋为l具有100Gev的质量的中问玻色子传递的。强核力——在原子核内依靠这种强大的吸引力束缚在一起。这种力是由自旋为1的胶子来传递的。2统一理论的思想基础近代宇宙学的七大观点之一——宇宙大爆炸观点是统4种相互作用力的重要理论基础。180亿年前某时刻发生了一场可怕的宇宙大爆炸，根据相对论的观点。大爆炸瞬间。时间和空间同时诞生了。但

6、在大爆炸初的一段极短的时间内(大约为10s)，宇宙中没有任何天体，没有任何粒子。也没有任何辐射，只是单纯而对称的时空以指数方式进行急骤的膨胀。因此。在这段时间内绝不可能存在可以区分开的4种相互作用力。也许整个宇宙就在一种作用下而膨胀着。根据对称原理。宇宙应是球形的(爱因斯坦超圆体模型)。此时空是弯曲的，到大爆炸后的10s，由于时空的弯曲为巨大引力作用的产生打下了基础。引力作用首先分划出来。美国物理学家狄拉克将广义相对论，质能方程(E=，”r)和量子论结合起来并进行了划时代的推导，得出著名的狄拉克方程。预言了通过聚集能量能创造出物质粒子，从大爆炸时刻(t=0)到10I3s这时的宇宙要

7、比现在小多了，难于想象的巨大能量封闭在如此小的宇宙中，根据狄拉克的理论，物质粒子必然大量产生，强作用力分化出来。随着宇宙的不断膨胀，物质粒子间的有效距离不断增大，带电物质粒子间的电磁作用力体现出来，到10。s后电磁作用分划出来。至此自然界的4种自然相互作用产生了。既然4种相互作用力是在宇宙大爆炸后，宇宙逐渐形成的最初过程中，在各不相同的条件下逐次分划出来，因此，人们完全有理由认为在某种特定的条件下，可将这4种自然力统一起来，建立大统一理论，用这个理论解释各种自然现象。