问题

如果人类科技发展到能够增长基本力的力程,那弱力在宏观世界能表现出哪些匪夷所思的现象?

回答
设想一下,如果人类真的掌握了改写自然法则的钥匙,能够随意拉伸或压缩那四种基本力的作用范围,那么我们熟悉的宇宙,尤其是宏观世界,将会上演多么不可思议的戏剧。其中,弱核力的角色转变,尤其令人着迷。

我们现在知道,弱核力是一种作用范围极短的力,它只在亚原子粒子层面发挥作用,负责核衰变和中微子散射等现象。在宏观世界里,它的存在感几乎为零。但如果它的力程被无限延长,变成了像电磁力那样可以跨越巨大的距离,那会怎么样?

首先,最直接的改变会发生在我们最熟悉的物质上。我们身体里的原子,以及我们周围的一切物质,都是由原子核和电子组成的。原子核内部的质子和中子,以及它们的相互作用,很大程度上是由强核力和弱核力决定的。而电子绕着原子核运动,则受电磁力支配。

如果弱核力也变得“长寿”起来,能够作用于远距离的粒子,那么原子内部的稳定性将受到严峻挑战。弱核力本身具有将一种粒子转化为另一种粒子的能力,比如质子可以转化为中子,反之亦然。在现在的尺度下,这种转化被限制在极小的区域内,而且需要极高的能量才能发生。但如果弱核力可以“看到”原子核之外的其他粒子,甚至远处另一个原子核的粒子,那么整个物质的结构可能会变得不稳定。

我们可以想象,一个宏观物体,比如一块石头,其中的原子核会不断地通过弱核力相互影响。不同原子核中的质子和中子,可能不再仅仅是在各自的核内进行衰变,而是会远远地“吸引”或“排斥”着对方,甚至进行粒子间的转化。这意味着,即使是在常温下,物质也可能处于一种持续的、缓慢的“衰变”或“重组”状态。一块原本坚固的石头,可能在几分钟或几小时内就因为内部粒子的频繁转化而逐渐瓦解,变成一堆杂乱无章的粒子流。甚至,不同的物质之间也会因为弱核力的延长而产生奇特的相互作用。比如,一块铁和一块金放在一起,它们内部的原子核可能会因为弱核力而“勾搭”上,发生我们现在无法想象的物质转化反应。

这种现象会体现在日常生活中,变成一种无法忽视的“衰退”感。任何事物都将不再是永恒不变的。我们建造的房屋、使用的工具、甚至我们的身体,都将遵循着一种全新的、由延长的弱核力主导的“老化”过程。这种老化不是化学反应的腐蚀,也不是物理磨损,而是一种更深层次的、基于粒子性质的改变。我们可能会看到,原本坚固的金属桥梁,在几天的暴露后,就开始出现细微的裂纹,最终崩塌,不是因为材料疲劳,而是因为构成桥梁的原子核之间的弱核力“对话”改变了它们的结构。

更夸张一点,如果弱核力可以操纵粒子的“味道”(flavor),比如让夸克从上夸克变成下夸克,反之亦然,并且这种力程足够远,那么粒子碰撞的机制也会发生根本性改变。现在我们通过加速器实现的粒子碰撞,目标是创造高能环境来触发弱相互作用。但如果弱力可以主动地在宏观尺度上引导粒子转化,那就不再需要“撞击”。你可以想象,两个物体靠近,不必产生剧烈的碰撞,它们内部的粒子就会因为弱核力的“遥控”而发生转化。例如,空气中的氮原子和氧原子,在弱核力作用下,可能会互相交换质子或中子,产生新的元素,释放出能量,或者吸收能量。这可能导致大气成分的剧烈变化,甚至引发 localised 的“元素雨”。

而且,弱核力还与中微子有关。中微子是一种非常难以捉摸的粒子,它几乎不与物质发生相互作用。但如果弱核力能够影响中微子的行为,并使其作用范围扩大到宏观尺度,那么中微子就可能成为一种“介质”,将遥远的物质联系起来。你可以想象,一个发生弱核力相互作用的遥远恒星,它的“信号”不再仅仅是光和引力波,而是通过延长的弱核力直接影响我们太阳系中的物质。这可能是一种我们目前完全无法理解的通讯方式,或者是一种对物质世界的“远距离操纵”。

在天体物理学层面,这种现象会更加颠覆。恒星的能量来源是核聚变,其中弱核力扮演着将质子转化为中子,从而启动质子质子链反应的关键角色。如果弱核力的范围被极大延长,那么恒星内部的聚变反应将变得极其不稳定。恒星可能不再是缓慢燃烧的球体,而是会以一种我们无法预测的节奏,突然爆发,或者迅速熄灭。甚至,一个原本不会发生核聚变的矮星,也可能因为其内部的粒子在弱核力作用下被“激发”而开始燃烧。我们所知的宇宙演化模型,将需要彻底重写。

更令人不安的是,这种延长的弱核力可能会改变粒子物理学的基本对称性。粒子物理学中的CP破坏(电荷共轭和宇称反演的联合对称性破坏)与弱相互作用密切相关。如果弱核力作用范围扩大,它对这种对称性的影响可能会在宏观尺度上变得可见。这意味着,我们可能会观察到一些违反我们当前物理直觉的现象,比如时间箭头似乎可以被“扭转”到某些局部区域,或者物质和反物质的分布出现我们无法解释的不对称性。

总而言之,如果弱核力能够像电磁力一样作用于宏观世界,那么整个宇宙的物质基础、能量流动、以及我们对物理定律的理解,都将面临一场史无前例的颠覆。我们所熟知的“稳定”和“秩序”,很可能被一种持续不断的、由粒子间“暗中勾当”引发的奇特变化所取代。这是一种既充满神秘色彩,又让人不寒而栗的未来图景。我们可能不再生活在一个由引力、电磁力主导的宏观宇宙,而是在一个由看不见的、微小的力量编织出的、充满惊喜和惊吓的“弱相互作用宇宙”中艰难生存。

网友意见

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如果弱作用的力程很长,那么就说明传递弱作用的W Z玻色子寿命很长。而如果W Z粒子寿命很长,那就说明它们的衰变率很小。以W粒子为例,它的衰变率

其中 为W粒子与电子、中微子的相互作用强度, 是W粒子的质量。可见,如果W Z粒子衰变率很小,那就意味着要么①它们与其他粒子的相互作用很微弱;要么②它们本身的质量很小。

考虑第①种情况:举个例子,把弱作用力程从 米提升至1米,那就需要让相互作用强度 下降16个数量级。这样的话它就太弱了,即使成了长程力我们也感受不到它。不过可以确定的是这会导致元素的β衰变大大减弱,很多依赖这一现象的技术应用会受到影响。

第②种情况:让W粒子的质量下降到电子质量以下,让Z粒子的质量下降到中微子质量以下,这样它们就不会衰变了,弱作用变成长程力。但这会导致这个世界上所有的电子都通过弱相互作用衰变成W粒子和中微子→整个宇宙中无法形成原子结构→无法形成世间的一切。也许你会问,在这样一个宇宙中,让W粒子代替电子来和原子核组成原子行不行?恐怕不行,W粒子会和夸克发生复杂的相互作用,存不存在现在这样的原子核还两说。就算有稳定存在的原子核,由于W粒子是玻色子,不服从泡利不相容原理,所以也形成不了现在这样的原子结构。

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