一個氦原子核由兩個質(zhì)子和兩個中子組成,如果我們簡單做一下計算,會發(fā)現(xiàn)兩個質(zhì)子相互排斥的電磁力大約為100牛,相當于在地球表面舉起一個10千克的物體。這在原子層面是一種巨大的力量,在一些更大的原子當中,這種斥力還會更大。那么,面對如此強大的斥力,這些核子又是如何緊緊黏在一起的呢? ![]() 實驗證明,使它們聚集在一起的力比電磁力更強。事實上,這種力的強度比電磁力大至少100倍,它是宇宙中最強大的基本力量,物理學家形象地稱之為強力或強核力。雖然它非常強大,但只在非常短的距離內(nèi)有效。我們有一門研究強力的理論,稱為量子色動力學(QCD),它是“顏色”的量子理論,但這種“顏色”和我們經(jīng)??吹降念伾遣煌母拍睢?/p> 量子色動力學的產(chǎn)生 在1920年代,物理學家越來越清楚地認識到,原子是由帶負電荷的電子和帶正電荷的原子核組成的。這個模型雖然簡單易懂,但卻留下了一個大問題:如果同種電荷互相排斥,那么原子核中的質(zhì)子為什么能緊密地堆積在一起?顯然,必須要有某種極強的力量才能克服這種排斥力。 1934年,日本物理學家Hideki Yukawa提出了關(guān)于強力的第一個重要理論。他意識到,由于電磁力發(fā)生在大尺度上,這種對抗電磁力的強力就必須發(fā)生在小尺度上,因為我們在宏觀世界中看不到強力的影響。強力的作用范圍較小的另一個線索是,早期的理論認為,大于鉛的原子核都是不穩(wěn)定的,超過這個臨界點,強力就無法將原子核凝聚在一起。 ![]() Yukawa提出,一定存在一個巨大的中介粒子,可以在質(zhì)子和中子之間傳遞這種力。他使用愛因斯坦的質(zhì)能方程和海森堡的不確定原理,找到了一個近似的質(zhì)量。他發(fā)明了“介子”一詞來描述這種粒子,介于像電子這樣的輕子和質(zhì)子這樣的重子之間。但是,這給粒子物理學帶來了危機,因為人們不認為這些粒子是基本粒子。 1964年,默里·蓋爾曼提出,如果介子和其它傳遞強力相互作用的粒子由更小的基本粒子組成,則這個危機可以被化解。蓋爾曼以一本愛爾蘭小說中的術(shù)語來命名這些基本粒子:夸克。在他的理論模型中存在著三種類型的夸克:上夸克、下夸克和奇夸克。上夸克攜帶的電荷為2/3,下夸克和奇夸克攜帶的電荷為-1/3,它們的自旋都為1/2。 ![]() 夸克模型提出,介子由夸克-反夸克對構(gòu)成。由于物質(zhì)和反物質(zhì)會相互湮滅,所以介子不可能存活太長時間。夸克也可以三個為一組形成重子,例如質(zhì)子和中子。質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成,剛好攜帶一個正電荷;中子由一個上夸克和兩個下夸克組成,不攜帶電荷。 ![]() 但是,三夸克的想法也有問題,它們之中至少有兩個具有相同的量子特性。根據(jù)泡利不相容原理,兩個具有相同量子特性的費米子不能同時存在于相同的位置。1964年,美國物理學家沃利·格林伯格提出,夸克還具有“顏色”這個額外的屬性。這是一種電荷的隱喻,一種顏色電荷。如果是這樣的話,它們會有不同的色電荷,因此它們不會違反泡利不相容原理。 ![]() 有紅、綠、藍三種顏色的電荷,與我們所看到的顏色類似,為了獲得中性電荷,必須結(jié)合三種色電荷,就像當你結(jié)合可見的紅、綠和藍,就可以得到一個中性的白色一樣。在量子色動力學中,顏色必須是守恒的,也就是說,所有的顏色必須組合在一起才能得到一個中性的白色。這意味著任何含有色荷的粒子必須與其他粒子結(jié)合才能形成中性色。 那么,你現(xiàn)在可能會想,介子只由兩個夸克組成,如何得到中性色?事實上,還有反顏色的存在:反紅、反藍和反綠。當顏色和反顏色電荷相結(jié)合時,它們就可以得到中性色電荷。 ![]() 雖然在粒子加速器中檢測到了所預(yù)測的夸克組合,為夸克理論模型提供了依據(jù),但問題是沒有單獨檢測到夸克的存在。正因為如此,蓋爾曼認為自己的理論可能只是個數(shù)學構(gòu)造,根本沒有夸克這樣的基本粒子。不過,一些物理學家并不這么認為,他們提出了一種“夸克限制”的理論,認為夸克一定被某種東西牢牢限制在核子內(nèi)。一定有某種新的粒子存在,才能賦予夸克這種吸引力。 這種粒子被稱為膠子,因為它的作用就像膠水把夸克粘在一起。這些膠子是如何工作的?類似于量子電動力學處理電荷和作為電磁力的中介粒子光子,量子色動力學處理的是色電荷和被稱為膠子的中介粒子。 和光子一樣,膠子也是無質(zhì)量的。不同的是,光子是電中性的,所以當它們傳遞電磁力時,它們不會經(jīng)歷電磁力,也不會相互作用。然而,膠子不但傳遞強力,還帶有色電荷,所以它本身也會經(jīng)歷強力,這意味著膠子會與其他膠子相互作用。當電子發(fā)射一個光子時,電子仍然帶負電荷。但是,當一個紅夸克發(fā)射一個膠子時,由于膠子攜帶色荷,夸克的顏色會發(fā)生改變。 量子色動力學中的強力 當你試圖拉開兩個夸克時,強力就像是一個強大的彈簧,當你把它們分開得越遠,消耗的能量也就越多,這往往會把夸克拉回核子內(nèi)部。這些膠子-膠子之間的相互作用將色場限制在稱為“通量管”的弦狀物體上,在被拉伸時就會施加恒定的力。但是,如果有足夠大的力來拉夸克,通量管就會斷裂,夸克就會被拉開。 ![]() 但是拉開夸克所消耗的能量會導(dǎo)致一個令人驚訝的結(jié)果。在夸克從核子中拔出的那一瞬間,一個新的夸克就在原來的地方形成了。而這個剛被拔出的夸克,又會與新生成的反夸克組成介子。根據(jù)可用的能量大小,可以產(chǎn)生越來越多的介子。正是這些介子,介導(dǎo)了將質(zhì)子和其它質(zhì)子或中子結(jié)合起來的強力殘余。簡單來說,介子會引起核子之間的吸引力。 ![]() 之所以夸克很難從質(zhì)子中拔出,是因為在這個過程中你必須使用足夠的能量來產(chǎn)生至少兩個新的夸克,這被稱為“禁閉”。這是夸克始終被束縛在核子中的原因,這也是未探測到自由夸克的原因。還要注意到,介子是物質(zhì)-反物質(zhì)粒子的一種形式,它不會存在很長的時間,這有效地將作用范圍限制在小于質(zhì)子直徑的范圍內(nèi)。 強力最重要的一個方面是,幾乎所有原子的質(zhì)量都來自于量子色動力學,而不是希格斯場。我們以質(zhì)子為例,質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成。希格斯場負責給夸克提供靜止質(zhì)量,這種情況下兩個上夸克和一個下夸克總質(zhì)量是9.1MeV。但測得的質(zhì)子質(zhì)量為983MeV,所以它的重量是它的組成粒子的100倍,這些額外的質(zhì)量從何而來? ![]() 要記住,夸克和膠子在一個很小的范圍內(nèi)快速移動,在這么小的體積中保持這么多的能量需要大量的結(jié)合能。正是結(jié)合能和動能的聯(lián)合,構(gòu)成了原子質(zhì)量的98%。 |
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