《世界存在的本质 12》

在强相互作用方面，我们知道重子由三个夸克组成。人们很快发现有的重子里有三个同类型的夸克。因为夸克是费米子，不可能同时处在同一状态，南部认为夸克有一类新的量子数。我们称之为色荷，相对应于电荷。1971年，弗里奇和盖尔曼由杨-米尔斯规范场建立了量子色动力学，其中夸克之间的强相互作用由交换胶子来完成。量子色动力学又被证实可重整化。但是因为强相互作用的交换耦合系数很大，远大于电磁作用，量子色动力学的微扰展开在数学上极其困难。现在，量子色动力学和弱电理论统和成为标准模型，成为我们对世界认知中极其重要的一部分。

首先，世界（宇宙）里存在一个希格斯场。它和世界上所有的粒子都有相互作用，体现为质量。它自身又体现为一种零电荷零自旋的标量玻色子。另外，世界存在四类自旋为1的矢量规范玻色子。它们是相互作用中的交换粒子。其中零静止质量的胶子只参与同夸克的强相互作用。零静止质量的光子参与电磁相互作用。W玻色子和Z玻色子负责弱相互作用，它们都有一定的静止质量。费米子分成三代。它们的自旋都是1/2。每一代都有不参与强相互作用的轻子和参与强相互作用的夸克。轻子里又有电荷为-1的类电子粒子和相应的电中性的中微子。我们可以看出来，世界上的大多数物质都是由第一代费米子构成。别的费米子不常见。第二代费米子的质量大于第一代费米子。而第三代费米子质量最大。最重的顶夸克的质量相当于一个金原子。现在的理论和实验证实不存在三代以上的费米子。这些粒子和它们的反粒子就是我们现有认知下的世界的基本元素。另外还应该加上万有引力作用的引力子。它是自旋为2的张量玻色子。

我们对电磁相互作用的理解最透彻，因为它是我们日常生活，身边事物的基础。强相互作用最神秘，仅限于极小的核子和原子核以内的区域。夸克本身带有一种色荷。我们不妨说是红色，绿色，和蓝色。夸克之间通过胶子交换色荷而结合在一起。在一个重子里，单个夸克的色荷可以随时改变，但是三个夸克保证同一时刻分别是红绿蓝的组合。整个重子呈现出无色，这就是色禁闭（很多和尚都做不到，但是重子做到了）。介子由一个夸克和反夸克构成。色禁闭要求一个夸克是红色时，那个反夸克必须是反红色。在强相互作用里有一个夸克禁闭的现象。我们无法观察到单独的夸克和胶子。这个现象的反面就是渐近自由，可以从量子色动力学推导出来，也被实验证实。同万有引力和电磁库仑力相反，夸克之间的作用力随距离减小而减弱。在高能情况下，强作用也变弱。胶子就像一个橡皮筋。伸展越长，拉力越大。温度越高，拉力越小。当两个夸克分开到足够的距离时，胶子（橡皮筋）就可以断裂成两个。而在断开的两端分别产生一个夸克和反夸克。这样就完成了一个重子分裂成一个新重子和介子的过程。现在我们还无法从理论上推导或证明夸克禁闭。这就是克雷数学研究所悬赏的杨-米尔斯场问题。

一个核子（质子和中子）里的三个夸克束缚在极小的空间范围。因为海森堡的测不准原理，夸克的动量和能量极高。这体现在核子的大质量上。夸克本身的质量只占核子质量的百分之五左右。核子里还有许多的虚夸克和胶子。这些粒子可以随时消亡，也可以随时产生。在大型强子对撞机中，两个高能质子的对撞可以想象成两个钟表之间的冲撞。我们不知道，也很期待能撞出什么东西出来。在原子核里，强相互作用通过介子的交换将核子束缚在一起。这种核力是夸克和胶子强相互作用的延展。一个核子产生一个具有夸克和反夸克对的介子。这个介子又和另一个核子作用，其中的反夸克和核子里的夸克湮灭成胶子。同时，介子的夸克和核子另外两个夸克合成一个新的核子。

--写于2022年7月31日（图片来自网络）