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核子有三个夸克,每一个都连着一根弦,而这三根弦在中心结合,就像高卓人的波洛领带[164]。它们也可以旋转和振荡。
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强子快速的旋转和振荡给弦增加了能量,拉长了它,也增加了质量[165]。
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还存在着另一种强子:一种“无夸克”粒子,它们是一些闭合成圈的弦。强子物理学称它们为胶子球,但是对于一个弦论学家而言,它们仅是闭弦。
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夸克似乎不是由更小的粒子构成的。它们像电子一样,因为太小所以无法检测到其尺寸。但是结合夸克的弦却是由其他物体组成的,而且这些物体不是夸克。这些结合成弦的黏性粒子被称为胶子。
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从某种角度来说,胶子是弦上非常小的部分。虽然它们极其微小,但是它们似乎有两个“端点”,一正一负,看起来就像是些小磁铁[166]。
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胶子
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关于夸克和胶子的数学理论被称为量子色动力学(QCD),一个听起来更像是与彩色摄影相关的东西,而与基本粒子没什么关系。大家马上就会对这个术语有清晰的认识。
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根据QCD的数学规则,一个胶子自己不能单独存在。数学上要求其正负两个端点都与其他胶子或者夸克相连接:每一个正端点必须与另一个胶子的负端点或者夸克相连;每一个负端点则必须跟另一个胶子的正端点或者反夸克相连。最后,3个正的或者负的端点可以结合在一起。根据这些规则,核子、介子和胶子球可以被轻易地组合起来。
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如果介子中的夸克受到一个很强的力,它将会发生什么呢?夸克将开始迅速地远离反夸克。如果它与一个原子内部的电子相类似,那么它将会飞离出去并且逃逸掉,但是这里发生的却完全不同。当它与它的另一半开始分离时,胶子间会形成一条缝,就像一根橡皮筋被拉断时它里面分子的状况。然而,胶子们会自我复制,制造出更多胶子来填充这条裂缝,以避免断裂。夸克和反夸克之间形成的弦通过这种方式阻止了夸克的逃逸。下面一系列的图描绘的就是一个介子中的高速夸克,试图逃离反夸克伙伴的过程。最后,这个夸克将耗尽能量而转向朝反夸克运动。核子内部的高速夸克也会发生同样的事情。
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核子、介子和胶子球的弦论并不是一项无所事事的探索。它经过了多年的验证,现在已经被认为是强子标准理论中的一部分了。令人困惑的是我们是否应该认为弦论是量子色动力学的一个结论,换句话说就是,弦是由更加基本的胶子所组成的长链,还是胶子就是弦上的一些小片段?这两者很可能都是对的。
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夸克似乎与电子一样小,一样基本。它们不能旋转,不能被压缩也不能形变。尽管它们看起来没有什么内部结构,但是它们有一个复杂性的自由度。这看起来似乎有点矛盾。夸克有很多类型,它们带有不同的电荷和质量。是什么导致这些差异的仍是一个谜;这个决定差异的内部机制实在太小以至于无法观测。所以我们把它们叫作基本的,并像植物学家一样给它们起了不同的名字,至少目前是这样。
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在第二次世界大战之前,物理学还是以欧洲为中心。物理学家用希腊语来命名粒子。光子、电子、介子、重子、轻子,甚至连强子的名字都是来源于希腊文。但是后来傲慢无礼,有时有点傻乎乎的美国人取得主导地位,命名这件事就变得随意了。夸克是来自詹姆斯·乔伊斯(James Joyce)的《芬尼根彻夜祭》中一个没有意义的单词[167],从文学的观点上来看,这是种退步。人们用“味”这个并不恰当的单个字的词,来描述不同夸克类型之间的区别。我们可能会说巧克力夸克、草莓夸克、香草夸克、开心果夸克、樱桃夸克和薄荷味的巧克力片夸克,但是我们不那么说。夸克的六种味是上、下、奇、粲、底和顶。底和顶曾经一度被认为是不雅的,所以有段时间它们被改成了真和美[168]。
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我为何要详述这些味呢?主要目的是想说明,我们对这些构成物质的基石了解甚少,而且基本粒子这个词所对应的工作只是试探性的。但是还有另一个分类方式,它对于量子色动力学很重要。每个夸克——上、下、奇、粲、顶、底——被分为三种颜色:红色、蓝色和绿色。这也正是量子色动力学中“色”字的来源。
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现在我们稍停一会儿。一般意义上来说,夸克太小当然不能反射光线。彩色的夸克与巧克力、草莓和香草夸克相比,只能说傻乎乎的程度略微少了一些而已。但是人们需要用名字来叫这些东西;把夸克称作红色、绿色和蓝色,跟把自由主义者叫作蓝色,把保守派叫作红色一样可笑。虽然,与味一样,我们可能不知道夸克颜色的来源,但是颜色在QCD中扮演的角色却要重要得多。
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根据QCD,胶子没有味,但是它们的颜色比夸克更复杂。每一个胶子都有一个正极和负极,而且每一极都有一种颜色:红色、绿色和蓝色。胶子有9种类型[169],这种说法有一点过于简单,但是基本上还是正确的。
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九种胶子
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