|
众所周知，原子由被电子包围的质子和中子组成。这些带负电荷的电子被带正电荷的质子吸引，同时电子之间也彼此产生排斥。但幸运的是，电子分散得足够开，排斥力不会过多地干扰吸引力，因此它们能围绕在原子核附近运动。另一方面，质子紧密地挤在原子核中，它们之间的电磁排斥力绝对是巨大的。那么原子核是如何保持在一起的呢？ 现在这个问题的答案也是众所皆知的：强力。但是，如果强力如此强大，为什么它仅限于原子核？这些问题的答案在于夸克和胶子通过量子色动力学规则的复杂行为。 我们在1940年代开启了第一个粒子对撞机，并开始探测到一个名副其实的粒子动物园。当物理学家试图理解粒子动物园时，他们观察到了某些特殊的关系。盖尔曼等人意识到，这些粒子在粒子碰撞中产生的方式表明存在一个新的守恒量，他们将其命名为奇异数。 盖尔曼和尤瓦勒·內埃曼注意到，如果你根据粒子的奇异数和电荷数排列粒子，它们会形成几何图案，比如有八个粒子的六边形和十个粒子的三角形。不久之后，人们意识到粒子动物园的粒子不是基本的，它们仍然是由更小的粒子组成的，而那些粒子是就夸克。事实证明，这些形状上的位置代表了粒子的夸克含量：奇异数只是代表存在多少奇异夸克。顺便说一句，这些多重夸克的粒子现在被称为强子。
将强子描述为夸克群解释了这种图案形式，但它也引入了一个全新的问题。对于费米子这一类粒子，不能有两个相同的粒子占据相同的量子态，这种限制被称为泡利不相容原理。 结果是，在一个原子中没有两个电子可以占据相同的能级。好吧，稍微修正一下：电子轨道可以包含两个电子，但那是因为这些电子可以具有不同的自旋状态。那么这如何适用于夸克？让我们看看欧米茄重子，它由三个奇异夸克组成。现在，必须有一些不同的东西才能让他们遵守泡利不相容原理。它不可能是自旋的，因为有3个粒子并且只有两种可能的自旋状态。唯一的解决方案是必须有一些其他属性使它们不同，并且该属性必须具有三个不同的可能值。  在电磁学中有正电荷和负电荷，而在强力中，有三种电荷类型。事实上，我们用红色、绿色和蓝色来标记这三种强力电荷。这个丰富多彩的约定导致我们的强相互作用科学命名为量子色动力学，当然夸克并不是真的有颜色。如果我们有不同的色荷，那么我们就有可能产生吸引力。我们需要这种吸引力来将夸克在核子中结合在一起，并将核子在原子核中结合在一起。并且这种吸引力需要比排斥的电磁力更强，同时也消失在原子核之外。 这是怎么做到的？强子还有另一种奇怪的行为可以帮助我们回答这个问题。事实证明，所有这些粒子都是由三个或两个夸克组成的。可以在粒子对撞机中创建更多的组合，但在自然界中却不行。最重要的是，除非在非常特殊的情况下，否则我们从未见过孤夸克。 与电磁场和光子一样，我们需要一个场来介导强力，并且该场应该有自己的粒子，我们称这些粒子为胶子。但是这个场看起来与原子核周围的电磁场非常不同。一方面，它不会随着夸克的距离而减弱：夸克对不是形成场强的衰减梯度，而是通过称为通量管的胶子场线连接起来。通量管具有张力，就像拉伸的松紧带一样，通量管拉伸得越多，它所拥有的能量就越多。在某个时刻，管子会折断来产生一对新的夸克，但前提是已经积累了足够的能量。现在每个原始夸克都与一个新夸克配对，从一个π介子形成两个新π介子。  任何其他由夸克构成的粒子也会发生同样的情况。如果你想把它们分开，你最终只会形成新的粒子，所以夸克永远不会单独出现，除非是在最极端的能量中。如果有足够的能量，例如在非常早期的宇宙中或在大型粒子对撞机的撞击点，空间就会变得饱和，因此无法形成新的夸克。 胶子场的这种行为解释了为什么我们只能看到成群的夸克，但我们还需要一点来解释为什么在原子核之外从未看到过强力。这一点包含有两个部分的内容：第一个是夸克总是聚集成颜色中性的粒子，第二个是没有中性的胶子。这意味着胶子就无法与夸克组合形成的强子等中性粒子相互作用，也就是说强力的范围就被限制在了原子核内。 胶子可以携带许多不同的颜色组合，并且总是处于多个组合的叠加状态。例如，胶子可以是绿反蓝和蓝反绿的组合。事实证明，我们可以将任何胶子的状态表达为只有八个胶子的组合，如下图所示。这看起来是不是很熟悉？它与前面8个粒子组成的六边形相似。这种模式出现在这么多不同地方的原因是对称性问题，每当有三个一组的三个自由度的组合，并且其中两个组合是中性的，就会得到这个数学结构。它的名字是三阶特殊酉群，我们可以称它为SU(3)。  这种对称性被纳入物理定律，在那里它表现为强力。但SU(3)可以自由地出现在许多其他环境中，比如我们眼睛中颜色感受器的行为。我们有3个颜色感受器，我们的大脑使用SU(3)对称群将来自这些感受器的输入结合到我们对颜色的主观感觉中。 |
|
|
