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强相互作用和电磁相互作用关系的实验根据

1.“同性相吸，异性相斥”现象

新华社伦敦5月23日电（记者黄堃）“同性相斥，异性相吸”，这是大家都熟知的基本物理现象，但一项理论研究指出，两个带同种电荷的物体在特定条件下也可能出现“同性相吸”现象.

新一期英国《皇家学会学报Ａ》刊登的一篇论文说，新西兰惠灵顿维多利亚大学的约翰·莱克纳指出，英国科学家威廉·斯诺·哈里斯曾在1836年进行带电物体实验后报告，有些时候带同种电荷的物体之间的斥力会消失，转而变成引力.

莱克纳提出这样一个理论模型，两个本身导电效果足够好的球体带上同种电荷，通常它们会像人们预计的那样表现出“同性相斥”现象.但如果它们离得足够近，其中一个球体的电荷斥力作用非常明显，以至于另一个球体上的同种电荷被排斥到球体远端，这时其近端就可能出现局部带异种电荷的情况，最终导致两个整体看来带同种电荷的球体不可思议地产生“同性相吸”现象.莱克纳的这篇论文引起许多科研人员的兴趣，他们最初都不太相信这个与“常理”不符的结论，但在仔细思考和计算后又觉得这是可能的，现在已有研究者计划用超导体等设计精密的实验装置来测试相关理论.因此，与传统理论相悖的“同性相吸”是否真的成立，还有待科研人员的实验结果给出答案.

附录：原子可以形成规律排列的晶格，从随处可见的金属，到芯片内部的硅，许多固体物质都是原子规律排列的产物（晶体）.再向下细分，原子包含带正电的原子核和带负电的电子.那么有没有仅仅由电子规律排列产生的晶格呢？90年前，著名物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）在理论上给出了电子晶体的预言.电子之间的相互排斥会使得它们彼此远离，而一定的电子密度又会阻止它们无限制地彼此远离.当这样彼此冲突的相互作用取得平衡，电子会倾向于排列成为规则的晶格，以降低相互作用带来的能量.这种晶格也因而得名“维格纳晶体”（Wigner crystal）.如今，这一理论预言终于被科学家直接观测到.来自普林斯顿大学的研究者在《自然》杂志上发表论文，首次直接拍摄到了维格纳晶格.一直以来，物理学家努力尝试将维格纳晶体变为现实.制造维格纳晶体通常需要在极低的温度和低维情况下，因为电子的相互作用在这两种情况下更为显著.最早的实验可以追溯到上世纪70年代的贝尔实验室的工作.研究人员将电子喷射在液氦的表面，使得电子彼此远离，形成晶格.但这样的电子更接近相互独立的粒子，真正的维格纳晶体中，所有的电子应当形成一个整体，如同波浪一般集体行动.之后的几十年中，物理家们做了一系列探索.譬如利用半导体将电子的运动局限在二维，用磁场让电子绕圈从而帮助形成晶体.许多工作都间接观测到了维格纳晶格存在的证据.但人们一直没能给维格纳晶格“拍张照片”，实现直接观测.

为了给这样的亚原子结构“拍照”，研究人员选用了扫描隧道显微镜（STM）这一手段.这种显微镜的基本工作原理是，检测探针和样品之间由量子效应产生的极为微弱的电流，从而在扫描后显示出样品的特征.这一手段可以清晰观测到原子大小的尺度，从而使得原子级的“摄影”成为可能.在确定了拍摄手段之后，样品的准备也是一大难题.首先样品必须极其干净，没有杂质.维格纳晶体是仅仅由电子构成的晶体.所有电子在量子力学下相互作用，统一行动.即使是一个杂质粒子的存在，也有可能形成一个束缚电子的陷阱，从而打破这样的相互作用.普林斯顿大学的研究人员选择了堆叠的双层石墨烯作为样品，并将其冷却，再施加与样品方向垂直的磁场，从而制造出在二维下运动的电子气体.这样还可以轻松调节电子密度.种种努力之下，结果让人惊叹.通过隧道扫描显微镜，科学家第一次看到了仅由电子构成的维格纳晶体.由于显微镜的超高分辨率，可以确定这其中没有杂质存在.这些构成晶格的电子规律排列成紧密的三角形，在调节电子密度时，三角形的大小也会变化.这进一步确定了，晶格是由电子相互作用形成，而非受到杂质的影响.科学家还发现，这些本应在晶格中规律排列的电子有些模糊.研究者解释说这是由于电子的“零点能”——一种由量子力学描述的系统最低能量，与海森堡不确定性原理有关.这样模糊的电子影像，正说明了拍摄到的维格纳晶体是由于量子力学效应而形成的.维格纳晶体是一种新奇的物相，物理学家的目标之一就是不断探索这些新奇物相，将其实现并记录，理解不同相之间如何转化，以更好地掌握量子世界.

2.原子物理学中的液滴模型的局限性

原子物理中的液滴模型更能反映这种非对称性.液滴模型的比结合能中除了体结合能和面结合能以外，还加上了一项“非对称项”，得到了一个能够更好地定性解释核能的贝蒂-维兹萨克尔关系(Bethe-Weizsacker  Relation).这一“非对称项”反映了质子和中子在核结合能中的作用并不是完全一样的.强相互作用同液体分子之间的力很相似，并且就象液体的情形那样.尽管这种力能够防止各个粒子完全离开，却并不妨碍它们发生相对位移，因为它们之间同时存在电磁力.因此原子核物质就具有某种程度的流形，它在不受到任何外力的干扰时，总是像普通的水滴那样呈球形.最近在美国Jefferson实验室进行的结果显示，质子不一定总是球形的.在该实验室的一项新的实验中，科学家们将电子在耽搁的质子（氢原子核）上的散射与在氦核上的散射做了比较，表明这两种核以不同的方式“捏塑”它们所包含的质子，使质子内的夸克有时会蔓延出来一些，或使质子成为像花生那样的形状，尽管其平均形状还是球形的.^【1】

3.自然界中的有关事实

许多生物大分子（如DNA）虽然具有相同符号的电荷，但却能相互吸引并在水中聚集成团，称为丛生现象.科学家们认为丛生现象的产生一定是由于某些溶于水中的离子或带电小分子抵消了大分子的电荷所形成的，但却不能破解其中的机理与细节.最近美国的生物物理学家G.Wong和他的同事们对同种电荷相互吸引进行了一些简单实验后发现，想使同种电荷发生相互吸引必须要在离子大小的范围内才有可能.^【2】一个电荷的能量极其微弱，只有“同性电荷相吸”才能形成叠加的电量，才能到达云彩以下对地放电，甚至可以绕过避雷针进入室内放电，这是一种隐形的物质，放电时才能看到它是线条的形状，并且伴随着许多分叉，衣服放电就是一种小型的雷电现象.

两个片中性（不带电）的金属板在真空中出现了吸力，在10纳米的间隙（大约是原子心度的100倍）间产生产生约1个大气压的压力（101.3千帕）.卡西米尔效应的数学表示为：F=hCπ²S/240a⁴，其中：h为约化普朗克常数，C为真空光速，S为平板面积，a为二平板的距离.传统理论认为：第一，吸引现象是真空中能量的作用，证明了科学家原先判断的“真空不空”的对的；第二是：两块金属板间的的反应是两块金属板间的真空中的能量起伏造成的.

笔者认为这三种现象都是强相互作用的表现形式.基本相互作用并不是汤川型强相互作用，现代基本粒子相互作用是用规范场描述的，汤川型已是过时的东西.卡西米尔效应主要原因为强相互作用的表现.

参考文献：

【1】《物理》，第32卷12期，89页，2003年北京.

【2】《物理》，第32卷11期，2003年北京.