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TBBT第5季第3集:白板上的苦脸(附视频)

2019-10-31 作者:科学动态   |   浏览(177)

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关于自然界的四种基本相互作用——万有引力、电磁力、强力、弱力,学生在高中阶段对前三种都有了不同程度的认识,但对于弱力,课程没有涉及,学生只知道这个力与β衰变有关。本文就是对这个力是如何发现,以及与弱力相关的β衰变的实质稍作说明,感兴趣的同学可以以此了解下。

(文/大卫·萨尔兹保)上周的两集 里,宅男们在白板上展示了在地球上人工制造一种新粒子——“轴子”(the axion)的奇妙计划。美国国家点火设施(National Ignition Facility,NIF)预计在今年夏天人工合成轴子,我为此十分激动,但你可能已经在第5季第3集的白板上发现了——我犯了一个很糟糕、很糟糕的错误。

从上世纪末开始,人们的视野穿透到了另一个天地——微观世界。人们弄清了原子是由很小的原子核和绕核旋转的电子所组成。随后,人们又弄清了原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的。还搞清了它们之间的一些变化关系:中子发射一个电子就变成质子;质子又可发射一个正电子变成中子。表面看来,人们已弄清了一些新奇的、微观粒子的“换身术”。

之前估算轴子的产生率时,我对比了真实太阳和 NIF 人工太阳的功率。两种情况中,组成物质的原子都会在高温下被撕裂成原子核和电子,成为比通常气体温度更高的“等离子体”,又被称为“物质的第四态”。霓虹灯中发橙色光的物质就是一种等离子体。

中子→质子 电子

对比两种等离子体时,刚开始实验室一方似乎略胜一筹。不过,要明白我在哪里出了错,我们先要说说太阳产生能量的方式。

质子→中子 正电子

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天然的β衰变,正是原子核内的中子放出电子,衰变成一个质子的现象。当人们想进一步弄清β衰变时,物理学竟在微观领域遇上了一场生死存亡的挑战。按照物理学中最重要的能量守恒定律,β衰变过程中,原子核内部中子衰变成质子而失去的能量,应该等于它所放出的电子带走的能量。然而,实验结果表明,电子所带走的能量,总比原子核应该放出的能量少得多。直接观测的β衰变过程表明,电子具有从零到某一上限的不同动能。这说明原子核所失去的能量并不恒等,有多有少。物理学家们为此提出了种种假设,但都无法解释这桩怪事。

北极光就是一种等离子体。(来源:britannica.com)

正在这个紧要关头,在玻尔领导的哥本哈根理论物理研究所里,有位大胆的青年物理学家泡利,于1933年提出了一个崭新的理论:在微观世界,确实存在着一个“窃能贼”,把原子核内释放的一部分能量偷走了。泡利假设:它可能不带电,质量也非常小,同周围的相互作用力很弱,所以就不知不觉地从测量仪器下溜走了。

原子核内,强相互作用力将质子和中子束缚在一起。如果没有它,唯一能够出现的原子就只有氢原子了,元素周期表也将不复存在。强相互作用力的强度也不可小觑——在氦以及其后的原子核中,它足以克服带正电的质子间的排斥作用,保持原子核的完整,也因此而得名“强相互作用”或者“强力”。

恩里科·费米紧紧抓住泡利关于“中微子”的假设,继续向纵深思索:如果中微子真的存在,那么,在原子核里出现的β放射性行为,就可以解释为这样一个道理:原子核中的中子在衰变成质子的过程中,不仅是放出一个电子,同时还放出一个中微子。这就是说,前面所讲的那种“换身术”不对,正确的方法应是:

强力的奥妙在于,它只能结合一个中子与一个质子,却无法结合两个质子或两个中子。正电荷之间的排斥或许能解释前者,但无法解释后者。这是为什么呢?答案就是量子力学对全同粒子的约束:要想让两个完全相同的中子或质子相互接近,就必须使它们具有角动量,也就意味着它们无法稳定结合。

中子→质子 电子 中微子

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究竟是一种什么力促使这种变化呢?仔细分析,电磁力不可能产生这个过程,因为电磁力的传递者是光子,而在这种衰变中没有光子参加。费米作了一个大胆的尝试,他假定:从质子到中子的衰变过程,是由于自然界中某种新的力引起的。经过一番琢磨,费米得出了几个新颖奇特的结论:

强力的奥妙在于,它只能结合一个中子与一个质子,却无法结合两个质子或两个中子。

1.这个力要比电磁力弱10的11次方倍,但比万有引力要强得多;

太阳的核心充满了质子,但没有自由的中子,为了使它们结合产能就必须将一部分质子转化成中子。结合后的元素仍然是氢,但多了一个中子,因此被称为“重氢”,或者用更学术的说法叫“氘”。(“重水”指的也是同一种“重”。)质子变成中子的过程中电荷不守恒,释放出一种质量小的带正电的粒子,它就是电子的反物质伙伴——正电子,携带与电子等量的正电荷。

2.这个力只能发生在四个自旋为二分之一的基本粒子之间;

这又产生了新的问题:正电子是“轻子”的一种,出于某种尚不清楚的原因,轻子数始终守恒,所以必须同时生成一个中微子(译者注:正电子与中微子的轻子数分别为 -1 和 1 )。

3.这个力的作用力程非常短,几乎为零,即参与相互作用的粒子彼此一离开,力就迅速地消失了。

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弱力没有本领把任何粒子束缚在一个较复杂的体系中,它只存在于一些粒子发生衰变和浮获的一瞬间,粒子之间一离开,弱力马上就消失。

太阳内部核聚变的第一个步骤

人们认为自然界果真是存在着一种新的自然力——弱力。费米也因创立了弱力理论而闻名天下,他的理论得到了举世公认。

随后氘(重氢)发生进一步反应,总反应式为:

4个质子 —> 1个氦核(2个质子+2个中子)+2个中微子+大量能量

上面这个反应释放出的能量使太阳发光发热。可正电子到哪里去了呢?作为反物质,它们一旦与电子相遇就立刻湮灭,放出能量。有问题的是第一个步骤,即:

质子+质子 —> 质子+中子+正电子+中微子

能够将质子转化为中子的并非强相互作用力,而是弱相互作用力。这种作用力十分微弱,作用速率也很缓慢,制约着太阳内整个核聚变反应的速率。

如果剔除质量的影响,太阳产能的速度甚至还不如你。坐在电脑前消化上一顿饭时,你每 1千克体重产能的功率大约是 1瓦,而太阳却只有0.0002瓦。这也是我们的幸运,如果没有弱相互作用力的制约,我们的邻居就不是一颗恒星,而是核弹了。

但NIF的好人们等不及如此缓慢的反应,他们使用了重氢(氘),以及更重的含有两个中子、一个质子的氢,又名“氚”。他们的反应是:

氘+氚 —> 氦+中子+能量

反应中没有发生质子和中子间的转化,它们只是改变了结合的对象。该反应由强相互作用力驱动,释放出大量能量,速度大约是太阳内部质子跟质子反应速度的 1025 倍。所以,不可以直接比较两个太阳,宅男们的计算“只不过”忽略了 1025 这一因数。

观看本集时你注意到白板上画的那张沮丧的脸吗?(仔细看上面的大图哦)现在明白了这是为什么了吧~

博主介绍: 大卫·萨尔兹保(David Saltzberg)是美国加州大学洛杉矶分校的物理、天文学教授。与此同时,他还担当着《生活大爆炸》的科学顾问。剧中Sheldon一伙所说的那些专业术语,全部出自此人之手。在他的博客里又进一步阐释了那些令人挠头的科学小知识。

原文看这里

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