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欢迎大家再次来到

《力学与现代生活-

开启科学人生》的课堂！

现在我们给大家讲解 第一章的第三节

“力的起源：

我们关注的力世界”

看看 力学究竟是什么，

也就是第一章的 第四、第五个知识点。

在这节课程里面，

首先我们给大家介绍

宇宙自然界里面

也就是物质界的“四种基本相互作用力”，

包括 统一描述它们的

“大统一理论”和“弦理论”，

从中大家可以了解力的起源，

人类认识从微观到空观世界的

一些无奈的感悟，

以及柳暗花明的量子意识的研究成果(注:此内容将略去!)，

最后给大家明确一下：

在我们的现代生活以及这门课程中

所关注的有什么力，

以及力学研究的分支学科。

下面我们首先来看看

自然界的四种基本相互作用力。

那么 其实呢 宇宙自然界

或者叫物质界，

它有基本的相互作用力。

近代物理学呢 认为：

万物 都由四种自然力构建！

这种四种自然力呢 在这里列出来：

一个是叫‘万有引力’--

这个大家比较清楚，

第二种 叫‘电磁力’，

第三种呢 叫‘强相互作用力’，

第四种呢 叫‘弱相互作用力’。

这几个作用力 到底怎么回事--

待会儿我们会给它们一个解释。

我们先看看 这几种相互作用力--

这里有一个表呢 做一个简单地比较，

这个表呢 大家不用太多关注、

我们只关注其中的

比如说 它的作用力的范围--

我们叫‘力程’。

我们知道 万有引力--

第一种呢 它是属于长程的，

也就是说 你不论相距多远，

这个作用力都是存在的--

两个物体之间、两个星球之间

都会有这种引力。

那么 弱相互作用力呢 它属于短程的，

包括强相互作用力 也属于短程的。

那么 它的作用的范围呢

我们看 已经是小于10的负16次方 米--

那么 就达到费米级的了！

这显然是 微观世界里面的。

那么 电磁作用力 也叫长程的，

这个长程的话 跟万有引力没法比，

那么 待会儿我们看看 我们实际生活中

都属于电磁力！

还有 它们的相对强弱--

引力 可以说 是这里面最弱的！

我们这里面 如果把这个短程的强相互作用力--

把它按照 1 这个量级来比的话，

那么 万有引力呢 它是在 10的负39次方

这么一个量级，

非常弱！是吧

那么 跟这个强相互作用相比 非常弱！

弱相互作用呢 是10的负15次方，

而电磁作用力呢

就是我们生活中常遇到的这些力，

在173分之1 这么一个量级上。

比如说 强相互作用力，

实际上 它属于强核力，

我们研究核能、核弹的爆炸 这里边这些

核子之间的间距 小于1个费米，

这时候表现为‘斥力’--

相互排斥，

那么距离减小呢 斥力增大；

那么达到 1到2费米呢

两个粒子之间 成了相互吸引的状态；

大于2个费米呢 又下降、消失...

这个弱相互作用力呢 它这个作用范围 都是在变化--

很复杂！ 可以说。

那么 从这个排序来看 我们看

万有引力 最弱、

电磁力 次强、

那么 强相互作用力 最强、

弱相互作用力 次弱。

所以，这个 强相互作用力 排第一 最强，

电磁力 排第二，

这个弱相互作用力 第三，

万有引力 第四。

我们看看 万有引力--

我们做一个解释：

这个 作用于所有物体之间，

把星系结合起来，引起一根针下落，

两个物体之间 质量越大、越靠近--

引起的引力越强，

就是牛顿的万有引力公式啦--

与距离平方成反比。

它是由什么来携带的呢？

各种引力它都有一个传播介质，

那么物理界把它认为是属于‘重力子’

来携带的，

当然这个重力子 目前还没有找到；

那么 电磁力呢

它是作用于所有的带电粒子之间--

比如电子间，

还有 这个固体原子与分子之间的作用力，

使得固体 具有硬度、具有磁性、

具有发光特性，

我们说 它是由‘光子’携带，

(光子 是产生光线的啦

光子 是已经被发现的了)

它的大小呢 比万有引力高出10的36次方倍！

我们平常生活接触到的 像书桌啊

书啊 作用的压力啊

还有 我们的摩擦力啊...这些

相互作用力、推力 都属于 电磁力范畴；

强相互作用力 又叫‘强核力’，

它存在于原子核里面的--

把原子内的中子

和带正电的质子结合在一起，

由这个‘胶子’携带，

比这个万有引力 又高出10的39次方倍！

我们看 原子弹爆炸--

原子核里面的质子、

中子之间的作用；

那么 弱相互作用力 也叫‘弱核力’，

它是 引起这个 放射性的衰变，

使原子核破裂、造成的所谓的‘β衰变’--

β衰变有个曲线，进入到非常微观的

放射性原子 不稳定，

原子核内部呢 容纳了太多中子，

当β衰变的时候，

中子变成质子 释放电子--

产生β粒子，

它是由这个所谓的‘W粒子’和‘Z粒子’携带，

我们不再详细说了。

它是比引力高出10的24次方倍的！

那么 在研究相互作用力--

四种相互作用力 里面，

有一个所谓的“大统一理论”。

那么 大统一理论呢 也叫“科学终极理论”，

也叫“万物之理”--

Theory of Everything --TOE。

它是干嘛呢？

它是：试图用同一组方程式

来描述全部基本粒子和力

的物理性质的理论 或者模型。

其实呢 它是一种还没有找到的

“终极高度统一的理论”。

那么 我们这个伟大的科学家爱因斯坦

曾经也试图想找到这么一个

终极统一理论，

在逝世之前 还没有实现啦

为这个科学设想呢 提供个终极目标而已，

也算是我们物理学界的多年的梦想...

所以我们说 它是“一个美好的蓝图”！

那么 这个大统一理论呢

当然 它的目标 是这样的--

有一些基本的观点：

我们刚才说的四种相互作用力

都源于所谓的物质的‘基元’，

基元是什么呢 把它叫‘游空子’；

还有 另外的空间基元 叫‘静空子’；

它们之间、

与物质基元与空间基元之间的相互作用，

还有所谓的‘游空子’与‘静空子’之间的

相互作用；

那么 终极 源于宇宙最根本的规则--

叫做‘平衡趋势’，

也就是 ‘同性相斥、异性相吸’ 这样的，

那么最终使得这个 宇宙呢 从平衡趋势

加上逆平衡趋势，

这两个互相的交替、成为永恒,

这样不断的循环下去...

应该说 宇宙这样的平衡趋势 交替--

逆平衡 和 正平衡，

这样成为一种永恒的、美丽的宇宙的过程...

但是呢 如果按照这样的一些

大统一理论目标呢 可能会造成所谓的

“大统一力下的宇宙塌陷”--

我们看 叫：cos-collapse

这是在霍金的《时间简史》里面提到的；

还有呢 正面的预测呢 就是所谓的

“量子纠缠”现象，

我们回头 再讲量子纠缠的一些过程、

一些原理。

那么 在微观世界的认识里面，

我们刚才也提到了

弦理论呢 它也提供了一些有益的思考，

它的基本观点是这样的--

就是：自然界

它的基本单元呢 不是我们前面的

光子、中微子、夸克之类的点状的粒子，

而是很小很小的线状的 “弦”，

就像我们弹琴 钢琴上的弦一样的；

它有端点的“开弦”，还有

封闭的圈 或者是椭圆的 那样的“闭弦”，

所以是“开弦”、“闭弦”两种；

那么 弦的不同振动和运动

会产生不同的粒子，

构成所有物质的最基本单位--

是一小段儿的“能量弦线”，

我们把它叫‘弦子’。

大到银河系 小到基本粒子

都是由占有二维时空的“弦子”组成。

那么像小提琴琴弦的振动一样，

弦子有一定的振荡模式和共振频率，

它的波长准确地配合，

弦尺度非常小，

存在着几种尺度较大的这种薄膜状的物体--

叫做“膜”， 这是它的第一个基本观点；

第二种呢：

能量和物质 是可以相互转化的，

所以呢 弦理论不是说证明物质不存在，

那么它 既然弦子只有能量和信息的话，

它并不代表没有物质的存在；

第三个：

“我们的宇宙”呢 可能存在有11维的空间--

也就是4维时空 加上 其他7个

没有被发现的维度，

甚至可以推广到 26维 额外维的空间，

也就是从数学证明--

我们的宇宙可能存在26维空间，

甚至 因此 从“弦理论”

我们可以推测可能甚至有

‘平行宇宙、多重宇宙’的概念。

有人说：弦理论可能是现在最有希望

将自然界的基本粒子和四种相互作用力

统一起来的这么一个 接近于大统一理论吧！

比如说 现在根据弦理论发展起来的

“超弦理论”，可以解决与黑洞有关的问题。

好 现在给大家提个问题--

我们除了四种相互作用力，

还有没有 其它

第五、第六

更多种的基本相互作用力呢？

回答呢 应该说是肯定的！

宇宙质量 90%以上 由暗物质构成，

我们现在看到的、接触到的物质

只占不到10%，

5% 有的说。

但是 暗物质呢 始终没有被清晰的认知到，

而且这个 ‘粒子物理标准模型’呢 难以解释

很多暗物质、反物质这样的现象，

可以说 人类对宇宙认知非常 非常少！

那么 物理学家呢 相信一定还有其他的

基本相互作用力的存在！

比如说 第五种：

清华大学 粒子物理学博士 莫方

说了一段话：叫

“第五种相互作用还没有定论，

我们不知道它是什么东西，

任何一种新的相互作用

都可能是第五种相互作用。”

关于这个 对宇宙的认识呢

再给大家 提供一些“大家们”的

无奈的思考，

无奈的感悟、哲学思考--

比如说 第一个：

说“我们的宇宙 其实是镜像宇宙

与真实的宇宙是不同的，

后者可能是一个能量的虚空”

还有一种说法：

“我们习惯称为物质的东西 都只能是能量，

实际上 桌子上 摆放的这些实体物质，

可能都是空的，

实体形状 其实是能量聚集体

在人脑中的反映，

因为我们视力不能穿透这些能量聚集体，

便有物的概念”

还有：“宇宙中存在更多不为人

或者生物所能感觉到的东西，

人类的感官分辨能力非常有限，

我们检视波段--

检视的频率波段呢 十分窄小，

只能对宇宙中部分物体有感觉 或者显影，

即使用检测工具，

人类所能感觉到的物质世界

其实只是真实世界的一小部分”；

还有这个：“人类只是把自己

能感觉和彰显的部分 称为宇宙。”

最近也看到一个信息--

也就是Science这个杂志公布了

还有人类没有回答的125个问题，

需要解答的，

我们可以查一查。