什么是强力？量子色动力学这样回答

一个氦原子核由两个质子和两个中子组成，如果我们简单做一下计算，会发现两个质子相互排斥的电磁力大约为100牛，相当于在地球表面举起一个10千克的物体。这在原子层面是一种巨大的力量，在一些更大的原子当中，这种斥力还会更大。那么，面对如此强大的斥力，这些核子又是如何紧紧黏在一起的呢？

实验证明，使它们聚集在一起的力比电磁力更强。事实上，这种力的强度比电磁力大至少100倍，它是宇宙中最强大的基本力量，物理学家形象地称之为强力或强核力。虽然它非常强大，但只在非常短的距离内有效。我们有一门研究强力的理论，称为量子色动力学(QCD)，它是“颜色”的量子理论，但这种“颜色”和我们经常看到的颜色是不同的概念。

量子色动力学的产生

在1920年代，物理学家越来越清楚地认识到，原子是由带负电荷的电子和带正电荷的原子核组成的。这个模型虽然简单易懂，但却留下了一个大问题：如果同种电荷互相排斥，那么原子核中的质子为什么能紧密地堆积在一起？显然，必须要有某种极强的力量才能克服这种排斥力。

1934年，日本物理学家Hideki Yukawa提出了关于强力的第一个重要理论。他意识到，由于电磁力发生在大尺度上，这种对抗电磁力的强力就必须发生在小尺度上，因为我们在宏观世界中看不到强力的影响。强力的作用范围较小的另一个线索是，早期的理论认为，大于铅的原子核都是不稳定的，超过这个临界点，强力就无法将原子核凝聚在一起。

Yukawa提出，一定存在一个巨大的中介粒子，可以在质子和中子之间传递这种力。他使用爱因斯坦的质能方程和海森堡的不确定原理，找到了一个近似的质量。他发明了“介子”一词来描述这种粒子，介于像电子这样的轻子和质子这样的重子之间。但是，这给粒子物理学带来了危机，因为人们不认为这些粒子是基本粒子。

1964年，默里·盖尔曼提出，如果介子和其它传递强力相互作用的粒子由更小的基本粒子组成，则这个危机可以被化解。盖尔曼以一本爱尔兰小说中的术语来命名这些基本粒子：夸克。在他的理论模型中存在着三种类型的夸克：上夸克、下夸克和奇夸克。上夸克携带的电荷为2/3，下夸克和奇夸克携带的电荷为-1/3，它们的自旋都为1/2。

夸克模型提出，介子由夸克-反夸克对构成。由于物质和反物质会相互湮灭，所以介子不可能存活太长时间。夸克也可以三个为一组形成重子，例如质子和中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，刚好携带一个正电荷；中子由一个上夸克和两个下夸克组成，不携带电荷。

但是，三夸克的想法也有问题，它们之中至少有两个具有相同的量子特性。根据泡利不相容原理，两个具有相同量子特性的费米子不能同时存在于相同的位置。1964年，美国物理学家沃利·格林伯格提出，夸克还具有“颜色”这个额外的属性。这是一种电荷的隐喻，一种颜色电荷。如果是这样的话，它们会有不同的色电荷，因此它们不会违反泡利不相容原理。

有红、绿、蓝三种颜色的电荷，与我们所看到的颜色类似，为了获得中性电荷，必须结合三种色电荷，就像当你结合可见的红、绿和蓝，就可以得到一个中性的白色一样。在量子色动力学中，颜色必须是守恒的，也就是说，所有的颜色必须组合在一起才能得到一个中性的白色。这意味着任何含有色荷的粒子必须与其他粒子结合才能形成中性色。

那么，你现在可能会想，介子只由两个夸克组成，如何得到中性色？事实上，还有反颜色的存在：反红、反蓝和反绿。当颜色和反颜色电荷相结合时，它们就可以得到中性色电荷。

虽然在粒子加速器中检测到了所预测的夸克组合，为夸克理论模型提供了依据，但问题是没有单独检测到夸克的存在。正因为如此，盖尔曼认为自己的理论可能只是个数学构造，根本没有夸克这样的基本粒子。不过，一些物理学家并不这么认为，他们提出了一种“夸克限制”的理论，认为夸克一定被某种东西牢牢限制在核子内。一定有某种新的粒子存在，才能赋予夸克这种吸引力。

这种粒子被称为胶子，因为它的作用就像胶水把夸克粘在一起。这些胶子是如何工作的？类似于量子电动力学处理电荷和作为电磁力的中介粒子光子，量子色动力学处理的是色电荷和被称为胶子的中介粒子。

和光子一样，胶子也是无质量的。不同的是，光子是电中性的，所以当它们传递电磁力时，它们不会经历电磁力，也不会相互作用。然而，胶子不但传递强力，还带有色电荷，所以它本身也会经历强力，这意味着胶子会与其他胶子相互作用。当电子发射一个光子时，电子仍然带负电荷。但是，当一个红夸克发射一个胶子时，由于胶子携带色荷，夸克的颜色会发生改变。

量子色动力学中的强力

当你试图拉开两个夸克时，强力就像是一个强大的弹簧，当你把它们分开得越远，消耗的能量也就越多，这往往会把夸克拉回核子内部。这些胶子-胶子之间的相互作用将色场限制在称为“通量管”的弦状物体上，在被拉伸时就会施加恒定的力。但是，如果有足够大的力来拉夸克，通量管就会断裂，夸克就会被拉开。

但是拉开夸克所消耗的能量会导致一个令人惊讶的结果。在夸克从核子中拔出的那一瞬间，一个新的夸克就在原来的地方形成了。而这个刚被拔出的夸克，又会与新生成的反夸克组成介子。根据可用的能量大小，可以产生越来越多的介子。正是这些介子，介导了将质子和其它质子或中子结合起来的强力残余。简单来说，介子会引起核子之间的吸引力。

之所以夸克很难从质子中拔出，是因为在这个过程中你必须使用足够的能量来产生至少两个新的夸克，这被称为“禁闭”。这是夸克始终被束缚在核子中的原因，这也是未探测到自由夸克的原因。还要注意到，介子是物质-反物质粒子的一种形式，它不会存在很长的时间，这有效地将作用范围限制在小于质子直径的范围内。

强力最重要的一个方面是，几乎所有原子的质量都来自于量子色动力学，而不是希格斯场。我们以质子为例，质子由两个上夸克和一个下夸克组成。希格斯场负责给夸克提供静止质量，这种情况下两个上夸克和一个下夸克总质量是9.1MeV。但测得的质子质量为983MeV，所以它的重量是它的组成粒子的100倍，这些额外的质量从何而来？

要记住，夸克和胶子在一个很小的范围内快速移动，在这么小的体积中保持这么多的能量需要大量的结合能。正是结合能和动能的联合，构成了原子质量的98%。