仔細(xì)看下面這張圖片，你能猜出這是什么嗎？

你會(huì)看到一些不同顏色的球，指向不同方向的箭頭，還有一些卷曲的彈簧。但似乎很難猜出它們代表了什么。

在揭曉答案之前，我們首先得問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：在我們生活中接觸到的一切事物都是由什么組成的？古希臘哲學(xué)家猜想存在著一種最小的、無(wú)法分割的“原子”，構(gòu)成了萬(wàn)事萬(wàn)物。古希臘文中的?τομο?，正是“atom”（原子）一詞的來(lái)源，其字面意思是不可分割的。

現(xiàn)在我們知道，原子是由更小的質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的。電子是基本粒子，意味著它無(wú)法繼續(xù)分割，但是質(zhì)子和中子可以進(jìn)一步分解為基本粒子夸克和膠子。

○ 從宏觀尺度到亞原子尺度，基本粒子的大小在決定組合結(jié)構(gòu)的大小時(shí)，只起到很小的作用。構(gòu)成物質(zhì)的分子之間存在巨大的空隙；相對(duì)于整個(gè)原子，原子核幾乎只是一個(gè)點(diǎn)；對(duì)于質(zhì)子而言，組成它的夸克在決定其質(zhì)量時(shí)幾乎無(wú)足輕重。| 圖片來(lái)源：MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE TEAM

讓我們?cè)龠M(jìn)一步地探索質(zhì)子的內(nèi)部世界。質(zhì)子是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成的（中子則是由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成），但是當(dāng)我們把三個(gè)夸克的質(zhì)量加起來(lái)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)夸克的質(zhì)量之和比質(zhì)子質(zhì)量的0.2%還要少。（膠子本身是無(wú)質(zhì)量的，而電子的質(zhì)量不到質(zhì)子質(zhì)量的0.06%。）這是為什么？

這其中的原因與一種對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常違反直覺(jué)的力有關(guān)——強(qiáng)核力。引力具有一種荷，且總是相互吸引的；電磁作用力有正負(fù)兩種電荷；而強(qiáng)相互作用有紅、綠、藍(lán)三種色荷，這三種色荷之和是無(wú)色的。

除了夸克的色之外，還存在三種反色：青（反紅）、紅（反綠）、黃（反藍(lán)）。任何一對(duì)色-反色的組合也是無(wú)色的。這就是存在重子（由三個(gè)夸克組成）或介子（由夸克-反夸克對(duì)組合而成）的原因：因?yàn)樽匀唤缫笸暾?、束縛態(tài)的物體是無(wú)色的。

夸克結(jié)合成質(zhì)子的方式從根本上不同于我們所知的其他所有相互作用力。對(duì)于我們熟悉的引力和電磁力而言，當(dāng)物體越接近，它們之間的力就越強(qiáng)，但是當(dāng)夸克任意接近時(shí)，它們之間的吸引力逐漸下降為零。也不同于其他相互作用力隨著物體的遠(yuǎn)離而逐漸變?nèi)酰?dāng)夸克彼此遠(yuǎn)離時(shí)，將夸克拖拽在一起的力會(huì)變得更強(qiáng)。（進(jìn)一步閱讀《十個(gè)問(wèn)題帶你認(rèn)識(shí)粒子物理學(xué)》）

強(qiáng)核力的這種特性被稱為漸近自由（asymptotic freedom），傳遞這種相互作用的粒子被稱為膠子。將質(zhì)子結(jié)合起來(lái)的能量，也就是組成99.8%的質(zhì)子質(zhì)量，正來(lái)自于這些膠子。

○ 漸近自由理論描述原子核內(nèi)夸克間相互作用的強(qiáng)度，Wilczek、Politzer和Gross三人因此而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。膠子的交換與99.8%的質(zhì)子和中子質(zhì)量有關(guān)。| 圖片來(lái)源：WIKIMEDIA COMMONS USER QASHQAIILOVE

回想一下在文章開(kāi)頭的那張圖片，它顯示的正是質(zhì)子內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包含了夸克、膠子和夸克自旋，它遠(yuǎn)不止只有三個(gè)夸克那么簡(jiǎn)單。

○ 通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和新理論一前一后的發(fā)展，我們對(duì)質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)——包括夸克“?！焙湍z子如何分布——已經(jīng)有了更好的理解。質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包含夸克、膠子、夸克自旋。核力就像一個(gè)彈簧，未被拉伸時(shí)的作用力幾乎可以忽略，但是拉伸到很大距離時(shí)卻表現(xiàn)為非常大的吸引力。正是這種力，而非夸克的靜止質(zhì)量給予質(zhì)子以質(zhì)量。這些結(jié)果同樣適用于中子，并且可以幫助解釋質(zhì)子“失蹤的”那99.8%的質(zhì)量。| 圖片來(lái)源：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

因?yàn)閺?qiáng)核力作用的方式，這些膠子事實(shí)上處于時(shí)間的哪個(gè)節(jié)點(diǎn)具有很大的不確定性。目前，我們有一個(gè)關(guān)于質(zhì)子內(nèi)平均膠子密度的堅(jiān)實(shí)模型，但是，我們需要更好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和更合理的模型來(lái)知道，在任何特定時(shí)間點(diǎn)，膠子到底在哪里。

然而，即便我們不知道所有的事情，仍然解決了一個(gè)謎題：如何僅僅根據(jù)夸克的內(nèi)容來(lái)計(jì)算不只是質(zhì)子，而是所有原子核的預(yù)期質(zhì)量。強(qiáng)核力與自然中一系列不可思議的性質(zhì)有關(guān)，包括：

• 質(zhì)子和中子如何結(jié)合在一起形成原子核；

• 為什么不同的元素有不同的單核子質(zhì)量比；

• 太陽(yáng)中的核反應(yīng)如何以及以何種比率發(fā)生；

• 為什么鐵、鈷、鎳是最穩(wěn)定的元素。

描述強(qiáng)相互作用的量子場(chǎng)論——量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）——的困難之處在于，我們用來(lái)做計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方法是不好的。通常情況下，我們會(huì)看看粒子耦合的效果：帶色荷的夸克交換一個(gè)膠子，傳遞相互作用力?？淇嗽诮粨Q膠子時(shí)，也可以產(chǎn)生一個(gè)粒子-反粒子對(duì)，或者一個(gè)額外的膠子，而這些應(yīng)當(dāng)是對(duì)簡(jiǎn)單的單個(gè)膠子交換的修正。它們可以產(chǎn)生額外的一對(duì)粒子-反粒子或者一個(gè)膠子，作為更高階的修正。

我們稱這種方法為量子場(chǎng)論的微擾展開(kāi)，認(rèn)為計(jì)算更高階修正的貢獻(xiàn)將給出一個(gè)更準(zhǔn)確的結(jié)果。

對(duì)于量子電動(dòng)力學(xué)（QED），這種方法非常適用，但是對(duì)于量子色動(dòng)力學(xué)，它卻完全失敗。強(qiáng)相互作用的機(jī)制并不相同，所以這些修正會(huì)迅速增長(zhǎng)到特別大，當(dāng)添加更多修正項(xiàng)時(shí)，計(jì)算結(jié)果不會(huì)向著正確答案收斂，而是會(huì)發(fā)散，遠(yuǎn)離正確答案。

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