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6,电和磁21
二、老子与粒子物理学比较23
1,道(象)与真空、场、以太23
1.1“象”的一些基本情况23
1.2“象”与真空24
1.3“象”与场26
1.4“象”与以太27
2,道(“象、物”)、“一、二、三”与基本粒子27
2.1形态与结构——“象、物”与丝弦、点粒子27
2.2形态与结构——“一、二、三”与丝弦、点粒子29
2.3“一、二、三”与基本粒子的一些性征33
2.3.1大小、稳定性、寿命33
2.3.2振荡、旋转、移动、碰撞、运动的永恒性34
2.3.3产生、消亡、转化、统一性35
2.3.4质量、能量、质能守恒、质能关系、连续性、量子化37
2.3.5波粒二象性、不确定原理43
3,“象”与四种相互作用、统一理论、统一场、波动与传播45
3.1强、弱相互作用45
3.2电磁相互作用与电磁波46
3.3引力相互作用与引力波50
3.4统一理论53
4,“物、一、二、三”与基本粒子对应关系探讨56
4.1“一”与电子、电磁性58
4.2“物”与短命粒子61
4.3“三”与质子62
第五章老子与粒子物理学
一、粒子物理学简述
1,基本粒子概说
大千世界、纷纭万物到底由什么组成?
经验世界中实物可以分割,那么实物是不是可以无限分割下去,以至无穷?
古希腊人提出了原子(意谓不可再分)说,古印度人提出了极微说,我国先秦也有“至小”、“气”(由不可察见的极小微粒形成)、“端”的观点。
希腊人富于想象力的观念在近代科学中生根开花,结出了累累硕果。
十九世纪初,英国科学家道尔顿在化学实验基础上,将古旧的原子概念予以修正(法国科学家拉瓦锡此前也曾重新定义原子),原子一词正式进入科学领域。
在一段时期内,原子被视为构成物质的基本粒子,亦即不可再分的最小单位。
十九世纪八十年代,斯托尼提出了电子概念,用于解释电现象,认为电子是电(电荷)的基本单元,附着在物体上,物体就带电。
不久,汤姆森就在实验中证实了电子的存在。
十九世纪末,汤姆森又明确提出原子是一个实心小球,逐渐地,类似点状的粒子图像广泛传播,深入人心。
1912年,卢瑟福在实验中发现了带正电的原子核,是原子的组成部分,比原子更细微。
由此,原子失去了基本构成单元的地位,几年后他又在实验中发现了质子(也就是氢原子核),并预言了中子的存在,后者被查得威克于1932年的实验所证实。
于是,原子由带正电的原子核与绕核高速运动的带负电的电子构成,由于电子高速运动,形成云雾状态,故称电子云。
原子核则由带正电的质子和不带电的中子结合而成,再加上早前就确证了的光子,这就是人们熟知的微观粒子图景。
在这个图景中,原子、原子核、电子、质子、中子等都被视为点状(小圆球)粒子,而光子、电子、质子、中子就是这个时代认为的不可再分的基本粒子,他们构成了大千世界。
但在1964年,盖尔曼和茨威格又分别提出了中子和质子由更细微的粒子——盖尔曼称为夸克——组成,目前未经实验证实(未发现单独存在的夸克。
物理学家认为夸克是被幽禁的,因为强相互作用力太大,实验室中无法把夸克从束缚态中轰击出来。
已在实验中发现了间接的存在证据)。
目前一般将微观物质世界分成这几个层面,分子、原子、原子核、基本粒子。
粒子物理学或称高能物理学,是研究基本粒子的运动、性质、结构、相互作用和相互转化的物理学分支。
二十世纪二十年代,狄拉克从理论上预言了反电子(正电子,带正电荷),1932年被实验证实。
此后,又陆续发现了反质子、反中子。
在随后的大量实验中,发现所有粒子都有他的反粒子。
所谓反粒子,是指与其对应的粒子在质量、自旋、平均寿命方面相同,但是电荷、重子数(一种表征重子性质的量子数,是为了描述质子等稳定性粒子而提出的参数,重子数在相互作用过程中具有守恒性,已为实验证实。
轻子数与重子数相仿)、轻子数(一种表征轻子性质的量子数)、奇异数(一种表征奇异粒子的量子数,据称奇异数在弱相互作用过程中可以不守恒)等量子数异号(用+、-符号进行区别)的粒子。
在实验中,正反粒子碰撞后都发生“湮灭”,粒子消失了,变成不同能量(即不同频率)的光辐射或者说波动。
人们猜测,存在着由反粒子构成的反物质,然迄今未曾发现。
1.1基本粒子分类
物理学史中,基本粒子的所指、数量不断变化。
今日物理学里,基本粒子一词已不太常用,而代之以粒子一词(本书中,粒子和基本粒子指称相同)。
上个世纪以来,发现的基本粒子有数百种,其中绝大多数是在高能加速器的碰撞实验中发现的(制造的),并且绝大多数是强子,约占95%。
目前,一般将基本粒子分为三大类:
轻子:
不参与强相互作用(见下文四种相互作用),只参与弱相互作用、电磁相互作用以及引力相互作用的粒子,包括电子、μ子(渺子,π介子衰变的产物)、τ子(陶子,在对撞机上发现)、中微子。
轻子最初是因其质量较轻而得名,后来发现的轻子,有的质量超过了强子。
轻子的自旋数为半整数。
轻子中电子和μ子只是质量有别(μ子的质量是电子的200多倍),其他的性质是相同的。
为何如此,目前尚不知晓。
强子:
参与强相互作用的粒子,也就是说凡被强相互作用影响、受强相互作用的粒子都称为强子,已经发现的粒子绝大多数都是强子。
在标准粒子模型(物理学中的模型是一种理论建构、科学假设。
是在观测事实以及经过验证、被认为真的物理学理论基础上,以数学、逻辑、形象化、类比性等形式建立的系统性抽象性假想。
模型不仅能够解释已有的基本现象、事实,一般还具有预言功能。
目前,物理学前沿领域充斥着形形色色的模型,例如这里的标准粒子模型、下文的大统一理论、宇宙学中的大爆炸模型等等)中,强子由夸克、反夸克和联结他们的胶子组成,人们熟知的中子和质子以及不太知晓的超子(质量超过核子——中子、质子——且寿命较长的重子)都属强子。
强子有两类,即重子和介子。
重子是指由三个夸克组成的粒子(如质子和中子在标准模型中都由三个夸克组成。
三个反夸克组成的称为反重子),自旋数为半整数,因其质量大于轻子和媒介子而得名重子。
介子的质量在轻子与核子之间,故得名介子,介子由一个夸克和一个反夸克构成,自旋数为整数。
媒介子:
传递相互作用力的粒子,也称规范粒子。
分别是光子(传递电磁相互作用)、胶子(传递强相互作用)、引力子(传递引力相互作用)、中间玻色子(W玻色子和Z玻色子,传递弱相互作用)。
尚有另外的基本粒子分类,从略。
强子和轻子是组成宇宙物质的基本单元,都是在实验观察中发现且被证实的,而媒介子(引力子和胶子尚待验证)主要是传递相互作用力。
除了上述粒子之外,尚有希格斯玻色子(又称上帝粒子,是标准粒子模型预言的粒子,在模型中是所有粒子的质量来源)以及形形色色物理学理论(模型)所预言的粒子,如超对称粒子、磁单极子等等,尚待实验验证。
1.2基本粒子的物理特征和现象
1.2.1大小形状
基本粒子的尺寸非常小。
如原子半径约在10−10米数量级,原子核半径约1.5×
10−15米,质子半径约0.9×
10−15米。
目前的测量仪器尚无法直接看到亚原子粒子,自然也无法直接测量其半径,均是通过间接方法推定。
基本粒子一般都被当成点状粒子看待(现在认为中子和质子具有内部结构,不是点粒子),这是基于经验的理想化抽象图式。
另外,在物理学中,同一类粒子如电子、质子等被当成全同粒子,其内禀性质完全一样。
1.2.2寿命
基本粒子的寿命(静止时的寿命)相差悬殊。
光子、电子、中微子、质子的自然寿命被认为是无限长,自由中子(单独的自然状态下的中子,不是指与质子结合形成原子核中的中子)的寿命约15分钟,μ子约10−10秒,其余的10−10~-23秒。
尤其是高能加速器中诞生的共振态强子,大致都在10−24秒级。
这样的瞬间生灭,用仪器是无法测得和度量的,一般都是根据测不准原理推算。
1.2.3质量
粒子物理学中,质量是指静止质量(由于物理学认为质量和能量可以互转,故通常以百万电子伏特(MeV),等于1.78×
10−30千克;
十亿电子伏特(GeV),等于1.78×
10−27千克来表示)。
基本粒子的质量非常小,如电子的质量不到10−30千克,质子质量是1.673×
10−27千克,中子比质子略重、是1.675×
10−27千克,光子的质量为零,中微子的质量也趋近于零(也有认为是零),τ子的质量是2.86×
10−27千克。
粒子的质量虽然小,但密度却非常高,如核子可以达到每立方米1017千克。
1.2.4自旋、同位旋
基本粒子都在绕自己的轴线旋转,犹如陀螺一般(事实上,自旋是一个形象化类比,最初是为解决电子磁矩而发明,后来发展为粒子的内禀角动量)。
自旋是粒子的内禀性质,终生不易。
自旋一般用自旋数表示,自旋数取半整数(量子化),如0、1/2、1、3/2、2……(已知的粒子,自旋数为整数者最大是4,自旋数是半整数者,最大是11/2,但也有不同说法)。
自旋数越大,旋转越快,角动量越大。
自旋数为0,是指在各个方向“观看”,其性状都一样。
自旋为1的粒子旋转360度一样,自旋为2的粒子旋转180度就一样,自旋为1/2的粒子旋转2圈才会一样。
自旋数为整数者(包括0),称为玻色子,自旋数为半整数者称为费米子。
电子、中微子、质子、中子、超子以及尚未确证的夸克,自旋数是1/2;
光子自旋数为1;
假设的引力子自旋数为2;
介子自旋数为0或整数。
自旋数为半整数者构成了物质世界,自旋数为0或整数者传递相互作用力。
费米子有一个特点:
一个系统中,不能有两个或两个以上的费米子处于相同状态,亦即全同费密子组成的系统,不能有两个或两个以上的粒子同时处于相同的单粒子态,这也就是泡利不相容定律(原指一个原子中不能容纳运动状态完全相同的电子,是在解释实验现象时提出的,复经过许多实验验证,属于统计规律)。
玻色子则不受此定律限制。
自旋之外,尚有同位旋。
这是为了解释中子和质子的相近性(假定中子和质子本是同一种粒子,但因为一个带电一个不带电,所以显得不同了)而提出的在抽象空间中的“角动量”,本是一种理论虚设,但在推广到其他粒子后却发现了更为广阔的适用性,被概括为同位旋守恒,据说验证无误。
1.2.5电荷
电荷指带电粒子(带电物质)所带的电量,有正电荷与负电荷两种。
电荷具有最小的单位,谓之基本电荷。
电子带负电,电量是一个电荷,质子带正电,电量也是一个基本电荷。
电荷并不是独立的粒子,而是一些粒子自具的秉性。
电荷是一个离散的量,亦即量子化的不连续的量,所有带电粒子的电量都是基本电荷的整数倍。
近年似乎有迹象表明夸克所带的电荷不是整数,但仍待确证。
已发现的粒子中,多数不带电。
1.2.6放射与衰变
从19世纪末期开始,人们观察到了一些物质能够自发的发出射线(粒子流、电磁波),物质自己则发生了变化。
随着研究的深化,α、β、γ射线、正电子流、中子流、质子流、中微子流等放射现象相继进入研究者的视野。
现在人们认识到,所谓放射是指不稳定的元素(即核素——为了区别同位素而发明的术语,同一元素涵有不同的核素)自发地放出射线,从而衰变成稳定元素并停止放射的过程。
元素周期表中原子序数在83以上的都具有放射性。
衡量放射快慢的概念叫半衰期,是指放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需时间。
所谓衰变则是说放射性核素、以及一些粒子自发转变为另一种或几种核素、以及其他粒子的过程。
对核子而言,放射现象取决于元素自身的结构、性质,与外界环境无关。
元素具有放射性,就表明这个元素是不稳定的。
目前发现的粒子,只有11种粒子是稳定的(对粒子而言,稳定与否,乃以是否通过弱相互作用而衰变来判定。
因而,虽然有些粒子非常短命,但仍是稳定粒子),分别是光子、三种中微子及其反粒子、电子和正电子、质子和反质子。
其他的粒子都有衰变性,可以变成更轻的粒子。
如人们所熟知的中子就是不稳定粒子,在自由状态下,发射一个电子和一个反中微子而衰变为质子(中子在原子核中是稳定的)。
1.2.7湮灭与产生
正反粒子相撞后,放出能量(电磁波、辐射),自身消失,也就是实物粒子变成辐射波动了。
可以想象,当更大质量的正反物质相撞时,会产生大量的高能辐射,但目前只有粒子层面有正反粒子,理论预言的(或者说允许的)反物质尚未发现。
在高能电子对撞机、回旋加速器中,有大量的新粒子产生(往往是正反粒子对,成对生成、同时湮灭),但寿命都很短,很快衰变成稳定粒子,这些新粒子称为共振态粒子(强子)。
有人认为共振态粒子是稳定强子的复合态,也有认为是稳定强子的激发态(由基态跃迁到新的能级但尚未电离)。
另有一种奇异粒子(在宇宙射线和加速器中均有发现,属于强子类),与早前发现的粒子不同,有两方面特点。
一是总以粒子对的形式双双出现,但却各自独立衰变,最后成为普通粒子(奇异粒子发现后,早前的强子称为普通粒子)。
二是产生很快(在加速器中粒子高速碰撞产生,属于强相互作用)、衰变很慢(由相互作用所支配)。
概括言之,协同产生、非协同衰变。
为了解释奇异粒子的特性,引入了奇异数概念(量子化的参数,普通粒子的奇异数为0,奇异粒子不是0),并认为在强相互作用和电磁相互作用中,奇异数守恒,但在弱相互作用中并不守恒。
1.2.8对称与守恒
对称是自然界常见的现象。
物理学中的对称则是指物质的状态和运动规律在对称变换下的不变性(通常也包含各种守恒性)。
最常见的对称性是时空几何对称性,在连续变换中物理定律不变。
另有一种是指在分立变换(如时空反演、正反粒子对换)中,物理定律不变。
由于变换中物理定律不变,就必然存在不变的物理量,这就是守恒,即一个孤立物理体系中某种物理量的总量在运动过程中保持不变。
连续变换的守恒量具有相加性(复合体系中总守恒量是各部分之和),分立变换的守恒量则是相乘性(复合体系中总守恒量是各部分之积)。
现在公认的守恒量有质量、能量、动量、角动量、电荷、自旋、同位旋等,都是连续变换中的相加性守恒。
分立变换有三种,一是空间反演(镜像变换),称为P变换;
一是时间反演,称为T变换;
一是电荷共轭(亦即正反粒子互换),称为C变换。
三者的联合反演缩写为CPT。
分立变换中的不变性或守恒性与连续变换稍有不同。
如空间反演中的守恒性(又称宇称守恒)在弱相互作用中不适用。
宇称守恒是指在任何情况下,任何粒子的空间反演与该粒子除自旋方向外,具有完全相同的性质。
但现已证实,在弱相互作用中宇称不守恒。
时间反演中的守恒性也遇到热力学问题(热总是从高到低传递,但在时间反演中不可能变为由低到高)。
广义相对论之后,对称性研究取得了长足进展。
目前各种守恒定律已经被纳入对称性了。
在物理学中,有对称操作一说,即在任何一种定义明确的动作下,对象保持始末一致。
例如,如果整个封闭系统以任何一种规定的角度旋转,所有物理学定律在这一系统中都不会产生变化,这其实就是角动量守恒定律。
再如,系统若在空间运动,物理定律不会变化,这对应动量守恒定律。
又如,系统若进行时间平移,物理定律不发生变化,这对应能量守恒定律。
物理学中的对称操作全都以数学运算表达。
诸如算符、算符场、对易等等。
在量子力学里,数学算符已成为不可或缺的物理语言。
所谓算符,并不仅仅是一个简单的数学函数表达式,而是代表一种物理操作,代表物理状态的变化。
比如量子场论就有粒子的产生算符和湮灭算符。
这样,物理过程被表达为数学运算,数学运算代替了物理过程。
当代物理学很大程度上就是数学。
1.2.9运动与振动
基本粒子都在高速运动,有的是光速、有些接近光速,这与经验世界迥异。
基本粒子由于被抽象为点状粒子,所以很少论及粒子的振动。
在原子核物理中,综合模型或集体模型倒是谈及了核振动,有体积不变的形状振动(四极振动等)、体积改变的压缩振动(单极振动、胀缩振动)、中子和质子相对运动的偶极振动。
在强子实验中,加速器中产生了大量寿命极短的粒子。
具体现象是,当入射粒子能量在一定数值时,碰撞中的散射或反应的截面(截面是指入射粒子与靶向粒子相互作用的概率,截面越大,相互作用的可能性越大)迅速增大,截面值随能量的变化与人们熟知的共振现象一致,故将此时产生的粒子成为共振态。
但这种共振态并不是指粒子本身振动。
在量子场论中,有些理论认为量子场具有振动本性,但甚少论及其激发态亦即粒子具有振动性。
在解释中微子的特性中,倒是有中微子振荡一说。
1.2.10相互转化
基本粒子可以对应性的相互转化。
如中子与质子,一个中子放出一个电子和反中微子,自身变成质子;
而一个质子放出一个正电子和中微子自身则变成中子。
再如电子与光子,正负电子相撞后变成光子,而光子也在一定的能量下可以转化为正负电子对,甚至质子反质子对。
如共振态强子瞬间转化为其他粒子。
另外,在原子核中,中子和质子可以通过吸收和释放π介子而互相转换。
转化可粗略分为四种形式,一是正反粒子碰撞而湮灭,二是不稳定粒子的衰变,三是粒子相撞变成另外的粒子,四是吸收或释放能量变为其他粒子。
1.2.11标准模型
大型加速器投入使用后,实验室中发现了大量新粒子。
为了规范或分类这些纷乱的新粒子,盖尔曼等人大胆地提出了一种强子结构,认为所有强子都由更小的粒子即夸克和反夸克构成,重子有三个夸克、介子则由一个夸克和一个反夸克构成。
夸克带分数电荷,通过交换胶子联结。
大量新粒子之所以特征不同,在于夸克的组成和结构。
目前认为夸克有六种,称为六种“味”,即上、下、魅、奇、底、顶,每一种夸克都有自己的内禀性质和他们的反粒子,夸克之间也可以相互转化。
夸克还有“色”荷(为了符合泡利不相容原则而提出的新量子化参数,色荷类似于电荷),表征夸克的一些独特性质,是解释夸克结合成强子而引入的量子数。
夸克模型在解释和预言方面成就突出,但在实验中没有发现夸克,只有一些间接的存在证据。
所谓标准模型是一套统一描述强、弱及电磁相互作用及组成所有物质的基本粒子的理论,隶属量子场论的范畴,并与量子力学及狭义相对论相容。
标准模型中粒子有三类。
一类是物质粒子,是物质世界的基本单元,包括夸克、轻子及二者的反粒子。
夸克有6种“味”、3种“色”,合计18种。
轻子有6种。
18种夸克和6种轻子以及他们各自的反粒子,总计48种实物粒子,他们都是自旋为1/2的费米子。
二是传递相互作用的媒介粒子,分别是传递电磁作用的光子,传递弱相互作用的中间玻色子W+、W-、Z0,传递强相互作用的8种胶子,总计12种(加上传递引力相互作用的引力子则为13种),都是自旋为1的玻色子。
玻色子不是构成物质世界的基本单元。
三是为了使得“自发对称性破缺”产生而引入的希格斯粒子,自旋为0。
希格斯粒子在标准模型中是质量的来源。
标准模型中粒子总计61种(加上引力子则为62种)。
标准模型里,物质粒子(费米子)分为三代,每一代的差异仅仅体现在质量上,其余的性质基本相同。
每代都含两个夸克和两个轻子,从第一代到第三代质量递增。
事实上物质世界是由第一代物质粒子(电子、上夸克、下夸克、电中微子)构成。
第二代和第三代寿命极短,都是在高能加速器中产生的,并且很快衰变为第二代、第一代粒子。
标准模型是一个相当成功的理论,不仅解释力非常强,而且到目前为止,几乎所有对三种相互作用的实验的结果都合乎这套理论的预测。
当然标准模型也存在问题,比如粒子数达61个、参数达19个、没有涉及引力、希格斯粒子尚未得到证实、夸克幽禁问题等等。
2,四种相互作用及其统一
从宏观宇宙到微观粒子,所有的相互作用力归结为四种,即强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用。
量子场论认为,所有相互作用都是通过交换媒介粒子实现。
强相互作用:
发生在强子(介子、核子、超子,此外的粒子没有强相互作用)之间的作用力,是四种力中最强的。
强相互作用是一种吸引性质的短程力,作用距离在10−15米内,大致相当于核子之间的距离。
超过这个尺度,强相互作用力消失(疾速衰减。
还有一种为了解释实验现象的假设,即强相互作用随着粒子距离的拉近而降低)。
强相互作用是强子间交换媒介粒子(胶子)实现,是强子稳定地结合在一起的纽带。
质子和中子组成的原子核之所以稳定,就是因为强大的强相互作用。
弱相互作用:
发生在轻子、强子等粒子(也就是除了光子之外的粒子)之间的作用力。
弱相互作用是一种短程力,作用范围在10−17米内,超过此距离,弱力消失。
弱相互作用是导致粒子衰变的作用力,其作用强度是强相互作用的十万分之一。
传递弱相互作用的媒介粒子是中间玻色子。
最早发现的弱相互作用是原子核的β衰变。
后来又在介子、重子和轻子的衰变和中微子散射等现象中发现弱相互作用。
有人将弱相互作用分为两种,一种是有轻子(电子e,中微子ν,μ子以及它们的反粒子)参与的反应,如β衰变,μ子的衰变以及π介子的衰变等;
另一种是Κ介子和∧超子的衰变。
这两种弱相互作用的强度相同,相互作用时间约为10−6~10−8秒。
电磁相互作用:
作用于带电粒子或具有磁矩(许多基本粒子如电子都有内禀磁矩,磁矩也是量子化的)的粒子之间。
电磁相互作用是一种远程力,理论上可以无限远,有引力和斥力两种,电磁力随距离增大而减小的规律与万有引力相似。
电磁相互作用的强度仅次于强相互作用,约为后者的百分之一。
传递电磁相互作用的媒介粒子是光子。
引力相互作用:
普遍存在于所有有质量的粒子之间,是一种无限远的长程力,只具有吸引作用,其作用强度是强相互作用的1040分之一。
传递引力相互作用的媒介粒子称为引力子,但这只是理论假设,没有得到验证。
在宏观世界,引力起主导作用。
在分子和原子层面,电磁相互作用起主导作用。
在亚原子层面,强相互作用起主导作用,弱相互作用只有在强力不起作用时才凸显出来。
在分子层面及以下,引力相互作用可以忽略。
电弱统一理论
把弱相互作用和电磁相互作用统一起来的理论。
电、弱相互作用则是同一种相互作用(即电弱相互作用)的不同表现形式。
略言之,在高能状态下,电磁相互作用和弱相互作用本是同一种作用,随着能量降低,出现了“对称性自发破缺”(希格斯场在物理真空态中某一方向的不为零,引起物理真空的场量偏离零状态,导致某种对称性破缺。
破缺的后果是理论中质量为零的粒子获得了质量),于是成为两种不同的相互作用。
这个理论从设想到成熟经历了较长时间,经过了多项实验验证(理论预言的中性弱流验证和W、Z中间玻色子的实验验证。
但理论预言的希格斯粒子尚未得到证实,另有一些尚待解决的问题)。
大统一设想
电弱统一理论以及大爆炸宇宙论模型促成了大统一构想。
所谓大统一,就是试图将引力之外的三种相互作用统一起来的理论。
目前有形形色色的理论模型,但都存在问题,都没有得到确定的实验验证(大统一理论设想,在高能状态下三种相互作用才有共同的形式。
但需要的能量太高,目前的加速器达不到。
该理论有一个新颖的预言:
质子能够衰变),仍处于假设阶段。
终极统一设想
终极统一设想是指将四种相互作用统一起来的理论。
许多人在大爆炸模型的基础上,认为宇宙早期阶段四种相互作用是统一的。
随着宇宙膨胀,温度降低,引力率先分化,接着强力分化,此后电磁力和弱力分化。
尽管在加速器可以发现这样的事实:
即随着能量升高,弱力会增高到电磁力水平(也可能是弱力增强同时电磁力降低。
以下相仿)
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