強(qiáng)子提供強(qiáng)相互作用的介子
質(zhì)子、中子里有些什么質(zhì)子、中子里有些什么
對(duì)強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)模型研究的一再成功已表明夸克和色場(chǎng)是強(qiáng)子世界的最基本組成部分．盡管如此,強(qiáng)子物理還存在一些懸而未決的困難,如夸克幽禁、質(zhì)子自旋危機(jī)、質(zhì)子衰變等．
一、質(zhì)子、中子不是點(diǎn)狀粒子
對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索是科學(xué)的重要任務(wù),自從有人類出現(xiàn),這種探索從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)．在19
世紀(jì),人們逐漸弄清楚物質(zhì)是由分子原子構(gòu)成的．1932年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子,人們認(rèn)識(shí)到原子核應(yīng)由質(zhì)子和中子構(gòu)成．人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究就如剝筍一樣層層盤(pán)剝下去,每一個(gè)層次的發(fā)現(xiàn),都是對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深化．在原子核層次下面,質(zhì)子和中子是否還有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢?
質(zhì)子和中子不是點(diǎn)粒子,它們都具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)．在30年代,理論物理學(xué)家認(rèn)為作為核子的質(zhì)子和中子是基本粒子,應(yīng)該象點(diǎn)粒子,根據(jù)狄拉克的相對(duì)論性波動(dòng)方程,質(zhì)子的磁矩是一個(gè)單位核磁子,中子由于不帶電,因而磁矩是零．但出乎意料的是,實(shí)驗(yàn)家斯特恩測(cè)得的質(zhì)子磁矩卻為5.6個(gè)單位核磁子,中子磁矩也不是零,而是-3.82個(gè)單位核磁子,與點(diǎn)粒子理論相悖．這些都清楚地說(shuō)明質(zhì)子、中子并不是我們想象的那樣簡(jiǎn)單,它們可能是具有內(nèi)
部結(jié)構(gòu)的．60年代,霍夫斯塔特等人用高能電子轟擊核子,證明核子電荷呈彌散分布,核子的確具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1]．既然核子并不是點(diǎn)粒子,那么其內(nèi)部的物質(zhì)是怎樣分布的呢?也許有三種情形：或者核子內(nèi)有一個(gè)硬核,核子象一枚桃子；或有許多顆粒,象石榴一樣有許多子；或沒(méi)有顆粒,疏松如棉絮狀．具體屬哪一種情形,要靠深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)來(lái)作進(jìn)一步?jīng)Q定．
深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)指用極高能電子去撞擊質(zhì)子或中子,使后者激發(fā)到一個(gè)個(gè)分立的能級(jí)即共振態(tài),甚至達(dá)到使π介子離化出來(lái)的連續(xù)激發(fā)態(tài)．非彈性散射實(shí)驗(yàn)會(huì)改變質(zhì)子、中子的靜止質(zhì)量．實(shí)驗(yàn)表明,質(zhì)子、中子內(nèi)部有一個(gè)個(gè)點(diǎn)狀的準(zhǔn)自由的粒子,它們攜帶有一定動(dòng)量和角動(dòng)量．那么質(zhì)子、中子內(nèi)的這些點(diǎn)狀粒子是什么呢?具有些什么性質(zhì)?
二、夸克模型
1964年,美國(guó)科學(xué)家蓋爾曼.提出了關(guān)于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型．強(qiáng)子是粒子分類系統(tǒng)的一個(gè)概念,質(zhì)子、中子都屬于強(qiáng)子這一類．“夸克”一詞原指一種德國(guó)奶酪或海鷗的叫聲．蓋爾曼當(dāng)初提出這個(gè)模型時(shí),并不企求能被物理學(xué)家承認(rèn),因而它就用了這個(gè)幽默的詞．夸克也是一種費(fèi)米子,即有自旋1/2．因?yàn)橘|(zhì)子中子的自旋為1/2,那么三個(gè)夸克,如果兩個(gè)自旋向上,一個(gè)自旋向下,就可以組成自旋為1/2的質(zhì)子、中子．兩個(gè)正反夸克可以組成自旋為整數(shù)的粒子,它們稱為介子,如π介子、J/ψ子,后者由丁肇中等人于1974年發(fā)現(xiàn),它實(shí)際上是由粲夸克和反粲夸克組成的夸克對(duì)．凡是由三個(gè)夸克組成的粒子稱為重子,重子和介子統(tǒng)稱強(qiáng)子,因?yàn)樗鼈兌紖⑴c強(qiáng)相互作用,故有此名．原子核中質(zhì)子間的電斥力十分強(qiáng),可是原子核照樣能夠穩(wěn)定存在,就是由于強(qiáng)相互作用力（核力）將核子們束縛住的．由夸克模型,夸克是帶分?jǐn)?shù)電荷的,每個(gè)夸克帶+2/3e或-1/3e電荷（e為質(zhì)子電荷單位）．現(xiàn)代粒子物理學(xué)認(rèn)為,夸克共有6種（味道）,分別稱為上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、頂夸克、底夸克,它們組成了所有的強(qiáng)子,如一個(gè)質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成,一個(gè)中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成,則上夸克帶+2/3e電荷,下夸克帶-1/3e電荷．上、下夸克的質(zhì)量略微不同．中子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量略大一點(diǎn)點(diǎn),過(guò)去認(rèn)為可能是由于中子、質(zhì)子的帶電量不同造成的,現(xiàn)在看來(lái),這應(yīng)歸于下夸克質(zhì)量比上夸克質(zhì)量略大一點(diǎn)點(diǎn)．

質(zhì)子和中子的組成：一個(gè)質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克 組成,一個(gè)中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成．
雖然夸克模型當(dāng)時(shí)取得了許多成功,但也遇到了一些麻煩,如重子的夸克結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為,象Ω-和Δ++這樣的重子可以由三個(gè)相同夸克組成,且都處于基態(tài),自旋方向相同,這種在同一能級(jí)上存在有三個(gè)全同粒子的現(xiàn)象是違反泡利不相容原理的．泡利不相容原理說(shuō)的是兩個(gè)費(fèi)米子是不能處于相同的狀態(tài)中的．夸克的自旋為半整數(shù),是費(fèi)米子,當(dāng)然是不能違反泡利原理的．但物理學(xué)家自有辦法,你不是說(shuō)三個(gè)夸克全同嗎?那我給它們來(lái)個(gè)編號(hào)或著上“顏色”（紅、黃、藍(lán)）,那三個(gè)夸克不就不全同了,從而不再違反泡利原理了．的確,在1964年,格林伯格引入了夸克的這一種自由度——“顏色”的概念．當(dāng)然這里的“顏色”并不
是視覺(jué)感受到的顏色,它是一種新引入的自由度的代名詞,與電子帶電荷相類似,夸克帶顏色荷．這樣一來(lái),每味夸克就有三種顏色,夸克的種類一下子由原來(lái)的6種擴(kuò)展到18種,再加上它們的反粒子,那么自然界一共有36種夸克,它們和輕子（如電子、μ子、τ子及其相應(yīng)的中微子）、規(guī)范粒子（如光子、三個(gè)傳遞控制夸克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、八個(gè)傳遞強(qiáng)（色）相互作用的膠子）一起組成了大千世界．夸克具有顏色自由度的
理論得到了不少實(shí)驗(yàn)的支持,在70年代發(fā)展成為強(qiáng)相互作用的重要理論——量子色動(dòng)力學(xué)．
三、量子色動(dòng)力學(xué)及其特點(diǎn)
“量子色動(dòng)力學(xué)”這一名稱聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)可怕,念起來(lái)有點(diǎn)拗口,應(yīng)該這樣念：量子/色/動(dòng)力學(xué)．這個(gè)理論認(rèn)為,夸克是帶有色荷的,膠子場(chǎng)是夸克間發(fā)生相互作用的媒介．這不禁讓我們想起電子是帶有電荷的,傳遞電子間相互作用的媒介是電磁場(chǎng)（光子場(chǎng)）．的確,關(guān)于電荷的動(dòng)力學(xué)我們?cè)缫延辛?它叫“量子電動(dòng)力學(xué)”,發(fā)展于三四十年代．一般讀者對(duì)電磁相互作用都有點(diǎn)熟悉,因此就以它為例來(lái)理解質(zhì)子中子內(nèi)的色相互作用．電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程的量子化就是量子電動(dòng)力學(xué),具體地說(shuō),量子電動(dòng)力學(xué)就是研究電子和光子的量子碰撞（即散射）的,自然,量子色動(dòng)力學(xué)是研究夸克和膠子的量子碰撞的．
膠子是色場(chǎng)的量子,就象光子是電磁場(chǎng)的量子一樣．膠子和光子都是質(zhì)量為0、自旋為1、傳遞相互作用的媒介粒子,都屬于規(guī)范粒子．兩個(gè)電子發(fā)生相互作用是靠傳遞一個(gè)虛光子而發(fā)生的（虛光子只在相互作用中間過(guò)程產(chǎn)生,其能量和動(dòng)量不成正比,不能獨(dú)立存在,在產(chǎn)生后瞬時(shí)就湮滅．由相對(duì)論知道,自由運(yùn)動(dòng)的電子不能發(fā)射實(shí)光子,但可以發(fā)射虛光子．給予我們光明和熱能的是實(shí)光子,它的能量和動(dòng)量成正比,脫離源后,能獨(dú)立存在）,自然,兩個(gè)夸克發(fā)生相互作用是靠傳遞一個(gè)虛膠子而發(fā)生的．虛膠子攜帶著一個(gè)夸克的部分能量和動(dòng)量,交給另一個(gè)夸克,于是兩個(gè)夸克就以膠子為紐帶發(fā)生了相互作用．看到這里,我們
會(huì)說(shuō),不是重復(fù)了一下嗎?量子色動(dòng)力學(xué)可以由量子電動(dòng)力學(xué)依葫蘆畫(huà)瓢建立起來(lái),真是太容易了!不過(guò)實(shí)際上沒(méi)有這么簡(jiǎn)單．按群論的語(yǔ)言講,電磁場(chǎng)是U（1）規(guī)范場(chǎng),是一種阿貝爾規(guī)范場(chǎng),群元可以交換,而膠子場(chǎng)是SU(3)規(guī)范場(chǎng),是一種非阿貝爾規(guī)范場(chǎng),群元不可以交換．一般來(lái)說(shuō),“非”總比“不非”要麻煩得多．電荷只有一種,而色荷卻有三種（紅、黃、藍(lán)）；U(1)群的生成元只有一個(gè),就是1,所以光子只有一種,而SU(3)群有八個(gè)生成元,一個(gè)生成元對(duì)應(yīng)一種膠子,所以膠子共有八種；光子不帶電荷,而膠子場(chǎng)由于是非阿貝爾規(guī)范場(chǎng),場(chǎng)方程具有非線性項(xiàng),體現(xiàn)了膠子的自相互作用,因而膠子也帶色荷,夸克發(fā)射帶色的膠子,自身改變顏色．所以膠子場(chǎng)比電磁場(chǎng)復(fù)雜,因而出現(xiàn)了許多不同尋常的現(xiàn)象和性質(zhì),其中最重要的恐怕要數(shù)“漸近自由”和“夸克幽禁”了．
“漸近自由”說(shuō)的是兩個(gè)夸克之間距離很小時(shí),耦合常數(shù)也會(huì)變得很小,以致夸克可以看成是近自由的．耦合常數(shù)變小是由于真空的反色屏蔽效應(yīng)引起的．真空中的夸克會(huì)使真空極化（即它使真空帶上顏色）,夸克與周?chē)婵盏南嗷プ饔脤?dǎo)致由真空極化產(chǎn)生的虛膠子和正反虛夸克的極化分布,最終效果使夸克色荷變大,這稱為色的反屏蔽效應(yīng)（對(duì)于電荷,剛好相反,由于真空極化導(dǎo)致電荷吸引反號(hào)電荷的虛粒子,所以總電荷減少,這稱為電的屏蔽效應(yīng)．與它作比較,色的反屏蔽效應(yīng)這一術(shù)語(yǔ)由此而來(lái)）．由于這一效應(yīng),在離夸克較小距離上看來(lái),大距離的夸克比它帶的色荷多,所以小距離上強(qiáng)作用相對(duì)而言變?nèi)趿?這就是所謂“漸近自由”．漸近自由是量子色動(dòng)力學(xué)的一項(xiàng)重要成果,它使得高能色動(dòng)力學(xué)可以用微擾理論計(jì)算．但是在低能情形或者說(shuō)大距離情形,由于耦合常數(shù)變強(qiáng)及存在幽禁力,計(jì)算變得困難．
量子色動(dòng)力學(xué)可以預(yù)言小距離的“漸近自由”,但是對(duì)大距離的“夸克幽禁”,量子色動(dòng)力學(xué)就無(wú)法預(yù)言了,這是量子色動(dòng)力學(xué)的困難．
“夸克幽禁”說(shuō)的是夸克無(wú)法從質(zhì)子中逃逸出去．紅黃藍(lán)三色夸克組成無(wú)色態(tài),強(qiáng)子都是無(wú)色的．一旦夸克可以從質(zhì)子或強(qiáng)子中跑出來(lái),自然界就會(huì)存在帶色的粒子;帶色的粒子引起真空的進(jìn)一步極化,色荷之間的幽禁勢(shì)是很大的,整個(gè)真空都帶上了顏色,能量很高,導(dǎo)致真空爆炸．實(shí)際這些都沒(méi)有發(fā)生,暗示自然界不存在游離的夸克,那么我們會(huì)問(wèn)：夸克倒底是一個(gè)數(shù)學(xué)技巧還是一個(gè)物理實(shí)在?研究這一問(wèn)題,是對(duì)夸克模型的考驗(yàn)．不過(guò),現(xiàn)在因?yàn)橐延辛丝淇舜嬖诘拈g接證據(jù),物理學(xué)家相信夸克是應(yīng)該的確存在的．夸克為什么要被幽禁起來(lái),物理學(xué)家已提出了幾個(gè)理論．有人提出口袋模型,如認(rèn)為質(zhì)子是一只受真空擠壓的口袋,可將夸克束縛住而逃不出來(lái)；有人提出了弦理論,認(rèn)為夸克綁在弦的兩端,而這條弦卻難以斷裂,即使一旦斷裂,斷裂處生成一對(duì)正反夸克,原來(lái)的強(qiáng)子碎裂為兩個(gè)新的強(qiáng)子,從而自由的夸克從來(lái)不可能出現(xiàn)；也有人說(shuō),既然膠子帶色荷,膠子之間也會(huì)有色磁吸引力,從而色力線被拉緊呈平行狀,就如一個(gè)帶電電容器兩板因?yàn)橛衅叫械碾娏€因而彼此有吸引一樣,夸克之間也有類似這種吸引力；格點(diǎn)規(guī)范理論的面積定律證明夸克之間有線性禁閉勢(shì)存在；90年代中期塞伯和威滕用他們發(fā)展的四維空間量子場(chǎng)論證明磁單極凝聚也會(huì)導(dǎo)致夸克幽禁．關(guān)于夸克幽禁的理論有許多,正好說(shuō)明了我們對(duì)強(qiáng)力的了解還不夠充分．