量子色动力学

量子色动力学

就像我们拥有三种味的轻子一样，我们现在有了三种味的夸克。每一种味包括两种轻子或两种夸克，以及两种反轻子和反夸克。这就是说，总共有12种轻子和12种夸克。有了这24种粒子，再加上交换粒子就组成了整个宇宙（或者说目前看起来是这样)。这就使我们背离了可以容忍的简单性——至少目前是这样。就像我将在稍后解释的那样，这种情况也许不会继续下去。

两种粒子间的相似性是很有趣的。就轻子而言，第一种味的轻子由带一个负电荷的电子和不带电荷的电子型中微子组成。这种构成形式在其他两种味的轻子中重复出现：带一个负电荷的μ子和不带电荷的μ子型中微子，以及带一个负电荷的τ子和不带电荷的τ子型中微子。自然，反粒子刚好与之相反，三种味的反粒子所带电荷均为＋1和0。

对夸克而言，第一种味的夸克包括u夸克（＋2/3)和d夸克（-1/3)。这种构成形式也出现在第二和第三种味的夸克中，分别为c夸克（＋2/3)和s夸克（-1/3)、t夸克（＋2/3)和b夸克（-1/3)。同样，对反夸克而言，构成形式与之相反。

当然，这种比较并不确切。轻子所包含的粒子都带整数电荷或零电荷，而夸克则不然，它所包含的粒子都带分数电荷。

另外，就带电荷的轻子而言，粒子的质量随味的增加而增大（不带电荷的中微子为无质量粒子)。假如我们将电子的质量设定为1，那么μ子的质量为207，而τ子的质量约为3 500。对夸克而言，质量也随味而增大，但是不存在无质量的夸克，也许是因为不存在不带电荷的夸克。

就第一种味的夸克而言（如果我们仍将电子的质量当作1)，u夸克是所有夸克中质量最轻的夸克，其质量为5，而d夸克的质量为7。对于第二种味的夸克，s夸克的质量约为150，而c夸克的质量约为1 500。c夸克的质量几乎与质子相同，这就是需要如此高的能量来生成粲粒子以及很晚才发现它们的原因。

第三种味的夸克的质量更大。b夸克的质量约为5 000，几乎是质子质量的3倍，这就是这种粒子的发现甚至比c夸克更晚的原因。t夸克至今尚未找到，对于其质量也未获得可靠的数据，但是估计其质量至少高达质子质量的25倍，这就是它至今还未被发现的原因。

当然，仅将所有的夸克列出是远远不够的，人们还必须通过研究弄清楚它们的作用机制。例如，1947年，三位物理学家各自用三种略有不同的方法确切地描述了电子和质子的相互作用情况，从而说明了电磁相互作用的机制。这三种方法都有确切的根据，并且在本质上是相同的。

其中两位物理学家分别是施温格和费恩曼，第三位是日本的朝永振一郎（Sin itiro Tomonaga，1906—1979)。（朝永振一郎也许是首先完成这项研究的人，但是，由于第二次世界大战激战正酣，日本科学家们陷于孤立，他直到战争结束后才得以发表他的观点。)这三位科学家分享了1965年的诺贝尔奖。

上述理论被称为量子电动力学，实践证明它是迄今已创立的最成功的理论之一。该理论极其精确地预言了包括电磁相互作用在内的一些现象，并因其系统的阐述，至今还未做过任何改进。

科学家们原以为在量子电动力学中使用的技术自然也能用于研究强相互作用和弱相互作用的细节，但一开始就令他们感到失望。最终，温伯格和萨拉姆能够将电磁相互作用和弱相互作用统一起来，但对于强相互作用至今还存在一些问题。

例如，夸克具有半自旋，因此它们就像轻子一样是费米子。1925年由泡利首先提出的不相容原理表明，两个全同（所有量子特性都相同)的费米子不能出现在同一系统中。它们的量子数总会存在某些差别。假如我们试图将两个具有相同量子数的费米子捏在一起，那么它们之间就会出现一种远大于电磁斥力的相互排斥力。然而，事实表明，对一些强子而言，三个相同的夸克可以挤在同一个强子中，好像并不存在不相容原理似的。例如，Ω-粒子就是由三个s夸克组成的。

然而，人们还是极不愿意放弃不相容原理，因为它适用于亚原子物理的其他各个方面，而对于夸克，科学家们也竭力想要挽救这一原理。表面相同的夸克也许在其他方面存在某些不同。例如，如果存在三种不同的s夸克，从每种里取出一个，将它们“压”入一个强子中，就不会违背不相容原理。

从1964年起，几位物理学家——包括马里兰大学的格林伯格（Oscar Greenberg)，芝加哥大学的美籍日裔物理学家南部阳一郎（Yoichiro Nambu，1921—　)和锡拉丘兹大学的韩木用（Moo-Young Han)——都在从事夸克种类的研究工作。

他们认为，夸克的种类与亚原子物理中的其他任何东西都有所不同，无法对其作出确切的描述，只能冠以名称，并说明它们是如何起作用的。用以区别夸克的名称是色。

当然，一方面，这个名称取得不好，因为按照通常的观念，夸克是没有颜色的。但另一方面，它又是个绝妙的名称。众所周知，在彩色照片和彩色电视中，红、绿、蓝三种色彩组合在一起会给人以无色的观感，也就是白色。如果每个夸克也分别以红、绿、蓝等不同颜色出现，那么从每种色的夸克中各取一个组合在一起便会使色消失而变为白色。强子的每个夸克组合必定呈现白色。人们已知的强子中没有一个是有色的，因为其所含夸克的色是不均衡的。

这就解释了为何每个重子由三个夸克组成，而每个介子却只含两个夸克（或仅含一个夸克和一个反夸克)。因为只有这样的组合才是无色的。

一旦将色列入考虑之中，以前一些没有考虑色而显得异常的现象看起来都十分正确了。由于这个原因，色夸克的概念很快便为科学家们所接受。

那么，如果三种味的夸克中包含了六种不同的夸克和六种不同的反夸克，而每种夸克又包含了三种不同色的夸克，总共就有36种色夸克。这虽然增加了情况的复杂性，但也给了科学家们一个机会去发展夸克特性理论。该理论的价值接近于量子电动力学。这种新理论被称为量子色动力学（chromodynamics，该词的前缀chromo源于希腊语单词“色”)。这个新理论的很大一部分是盖尔曼在20世纪70年代研究得出的，是他首先提出了夸克的概念。

强相互作用实质上是夸克之间的相互作用。由夸克组成的强子之所以受到强作用力的作用，是因为它们由夸克组成。π介子似乎是这种次级强子相互作用的交换粒子，它们之所以是交换粒子只因为它们也是由夸克组成的。换句话说，归根结底，基本的强相互作用必须归结于夸克。

如果情况真是这样，那么在夸克一级必定存在某种交换粒子。盖尔曼为这种新的交换粒子取了个名字。他把它称为胶子，因为它是使夸克聚合在一起的“黏合剂”。

胶子具有异乎寻常的性质。对其他交换粒子而言，受相互作用的粒子之间的距离越远，活跃在它们之间的交换粒子就越少，产生的相互作用也就越弱。两个物体之间的引力相互作用和电磁相互作用的大小与物体之间距离的平方成反比。而强子之间的弱相互作用和次级强相互作用的强度随距离增大而衰减得更加迅速。

然而，对于夸克和胶子来说，就完全是另一种情况了。如果你想要将两个夸克拉开，那么活跃在它们之间的胶子数就会增多。这等于说，夸克之间的吸引力随距离增大反而增强。

在强子内部，夸克可以自由自在地移动，并随着它们的疏远会变得更“黏”。这就是说，夸克受到粒子禁闭；它们只能舒适地存在于强子的内部。由于这个原因，科学家怀疑，我们也许永远不能对自由夸克进行研究，没有任何办法能使夸克离开强子。当然，强子本身是可以从一种强子变成另一种强子的，即其内部可以包含2或3个夸克（这样可以使它们自己从一种色变为另一种色)。

从另一方面看，胶子比其他交换粒子更为复杂。引力子是通过带质量的粒子进行交换的，但是引力子本身并没有质量。光子是通过带电荷的粒子进行交换的，但是光子本身却不带电荷。而胶子本身是有色的，它又是在有色的粒子之间进行交换的；因此，胶子能相互粘在一起。这便是说胶子是个好名字的另一个原因。（有些科学家将粘在一起的成对胶子称为胶球。)

胶子能使夸克改变色（但不能改变味)。一种胶子能将一个红夸克变成一个相同味的绿夸克，另一种胶子能将红夸克变成蓝夸克，如此等等。考虑到所有可能改变的色，必定存在8种不同的胶子。这就又增加了复杂性。我们已经有了1种引力交换粒子，1种电磁交换粒子，3种弱交换粒子，现在再加上8种强交换粒子，总共就有13种交换粒子。

不管怎么说，量子色动力学是以具有3种味和3种色的夸克，以及8种有色的胶子（总共44种粒子)为基础的，这是一个成功的理论，科学家们期待着能用它不断地解释所有发生在强子内部及外部的现象以及它们的作用。