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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970786]
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 6．夸克世界五彩缤纷
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标准模型中，已经将弱作用和电磁作用用SU（2）×U（1）的规范理论统一在一块儿。引力作用又弱又顽固，标准模型决定暂时将它抛弃在外，不予理会。而对强相互作用，人们觉得还有点办法对付，尽管尚未将它与弱电统一起来，但起码它能够借助于SU（3）的规范理论自成一统。类比于量子电动力学，物理学家们将这个建立在夸克模型和规范理论基础上的强作用标准模型叫做“量子色动力学”。
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事实上，直到20世纪70年代之前，人们还以为质子和中子是不可分割的“基本”粒子。多个质子和中子紧密聚集在原子核中，互相离得很近几乎靠在一起。质子都是带正电荷，中子不带电。如果仅仅考虑电磁力的话，质子之间在这么近的距离下应该互相排斥，原子核将很快地分崩离析，不可能是如我们所观察到的稳定结构。
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那么，为了维持原子核的稳定性，一定存在另一种强大的短距离才起作用的力，将质子和中子紧紧地束缚在一起，这便是强相互作用。后来，盖尔曼提出了夸克模型，唯象地解释了这种相互作用，并将几百种“强子”进行了分类。再后来，将质子和质子或电子在高速度下碰撞的实验证明了，质子和中子都是由盖尔曼所预言的夸克构成的。
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于是，强相互作用便应该被理解为夸克之间的相互作用。电磁作用发生在电荷之间，强作用由什么引起呢？类似于电荷，物理学家们赋予夸克“色荷”，强作用则发生在“色荷”之间。电荷只有一种，考虑正负时，可算两种。开始时，物理学家们以为色荷也是如此。但后来，实验确定许多强子是由3个夸克组成的，夸克自旋为1/2，也是费米子。如果色荷只有一种的话，某些情况（例如Ω-粒子）会违反费米子的泡利不相容原理。于是，南部在1965年提出夸克具有3种“色荷”的设想。按照这种想法，色荷总数有6种：红、绿、蓝、反红、反绿、反蓝。虽然将它们称作色荷，以各种颜色冠名，但实际上却只是不同类型强作用的一种分类方式，与我们日常所见的光波表现的各种颜色一点关系都没有。无论如何，使用多样化的颜色，让强作用及夸克世界有关的直观图像五彩缤纷，也便于人们记忆（图5-6-1）。
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图5-6-1 各种“颜色”的夸克组成各种外表看起来为“白色的”重子和介子
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夸克有质量、电荷、弱荷、色荷，因而可以参与所有四种基本相互作用。夸克除了不同颜色之外，还有不同的“味道”，弱相互作用可以改变夸克的味道，因而有时也将夸克参与的电弱量子场论称为“量子味动力学”。强相互作用是发生在“色荷”之间的作用。虽然在夸克的内部世界里，各种颜色五彩缤纷，但人们却从来看不见这各种颜色，人们能够看得见的粒子，都是呈“白色”的，或叫做“无色”的。比如说，3个不同颜色的夸克在一起组成“白色”的强子，就好像“红、绿、蓝”3种原色的光混合成白光一样。1个正夸克和1个反夸克的颜色互补（如“红”和“反红”），它们在一起构成的介子也是表现“白色”。
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因此，夸克禀性奇特，它们只群居而形成“强子”，从不单独存在。虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷总是整数；虽然夸克带有颜色，但强子却是“无色”。
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强相互作用是4种相互作用中最强的，但我们平时却感觉不到它，因为它和弱作用一样，都属于短程作用力。它比弱作用稍微长一点点，在10-15m的范围内，在它的作用范围以外，强相互作用为零。
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我们在本书“第四章4．粒子家族大爆炸”一节中介绍过盖尔曼的夸克理论，夸克具有SU（3）对称性，因此，类似于电磁及弱作用的SU（2）×U（1）规范理论，量子色动力学应该可以建立在基于SU（3）对称性的规范理论基础之上。如此而建立的规范理论，是非阿贝尔的杨—米尔斯SU（2）规范理论的推广，没有本质上的区别，因而我们不予详细介绍，只给出部分结论。
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根据规范场论的局域对称不变性的要求，SU（3）群有8个生成元，因而将为强相互作用引入8个规范场。它们相对应的中间传递子，便称之为8个“胶子”。这个名字意味着，强作用像“胶”一样把夸克粘在一起！
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事实上也是如此，胶子使夸克束缚在一起形成“强子”，强子中的夸克疯狂地交换胶子，产生很大的束缚能量。胶子的静止质量为零，质子质量的绝大部分是来自于胶子交换产生的束缚能，只有大约5％是来自于夸克静止质量之和。
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胶子某些方面有点像光子，它的自旋为1，质量为0，以光速运动。光子是电荷间的传递子，胶子是色荷间的传递子，但胶子与光子有一个根本的不同，光子本身不带电荷，胶子却带有色荷。这就是说，光子只传递电磁力，自己并不参与；而胶子不仅传递强作用，自己也参与强作用。
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虽然夸克和胶子都带“色荷”，但它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。强作用有许多有别于其他三种相互作用的独特之处，最重要的两个特点是：夸克禁闭和渐近自由。
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夸克总是和别的夸克囚禁在一起而形成色中性的强子，人们从来没有观测到单独的、孤立的夸克，这叫做“夸克禁闭”，就像是几个夸克被关在一个笼子里，见图5-6-2。
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图5-6-2 渐近自由和夸克禁闭
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也许读者会问：既然每个质子、中子或介子看起来都是“色中性”，即白色的，那它们之间又哪来的强相互作用力呢？的确是这样，强子之间的强作用不是直接的强相互作用，而是一种“残留强作用力”，是由于夸克束缚为强子时疯狂交换胶子而形成的强作用力的残留量，因此其作用力大小比夸克之间的束缚作用力要小很多，并且直接的强作用力不会因距离增加而变小，但残留强作用力会随距离的增加而快速减小。正是这种残留强作用力，抵消了同种电荷间的电磁斥力而维持了原子核的稳定性。
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人们从来没有观察到单独存在的夸克，这一直使物理学家困惑。为什么没有观察到夸克呢？根据夸克模型，质子和中子等由3个夸克构成，介子由两个夸克构成。在现代的高能加速器中，分裂质子、介子等粒子并不困难，但分裂来分裂去的结果总是得到其他种类的强子，从来得不到单独的夸克。物理上无法得到某粒子的可能性之一是这种粒子“很重”，质量特别大，大到超过我们现有的加速器能够达到的能量极限。夸克显然不属于这种情况，因为它的质量大约只有质子质量的1％。
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夸克不能被“看到”的状况有些类似于想要得到磁单极的努力。众所周知，任何磁铁都包含一个南极和一个北极。如果从中间将磁体一分为二，就会得到两个磁体，每个都有南极和北极，绝不会得到单独的南极或者北极。尽管用我们现有的技术得不到磁单极，但我们大概明白这个现象的原因。那是因为在我们的世界中，存在电荷但不存在磁荷，磁现象是作为描述电荷的运动而引进的。然而，这种说法也难以用来解释夸克的情形。
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有趣的是，夸克被三三两两地关在“质子”“介子”这种锁得紧紧的笼子里，远处看起来像囚犯一样，但是笼子里的夸克却很自由，像是没有感受到束缚的自由粒子，这就是所谓的“渐近自由”，是指在强作用的力程范围之内，夸克受到的力很小，运动自如。因为在力程范围内，强作用随距离的增加而增加，随距离的减小而减小。这个特点与通常所见的弹簧类似。弹簧就是拉得越长，回复的力量越大，见图5-6-3。
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