《世界存在的本質 12》

在強相互作用方麵，我們知道重子由三個誇克組成。人們很快發現有的重子裏有三個同類型的誇克。因為誇克是費米子，不可能同時處在同一狀態，南部認為誇克有一類新的量子數。我們稱之為色荷，相對應於電荷。1971年，弗裏奇和蓋爾曼由楊-米爾斯規範場建立了量子色動力學，其中誇克之間的強相互作用由交換膠子來完成。量子色動力學又被證實可重整化。但是因為強相互作用的交換耦合係數很大，遠大於電磁作用，量子色動力學的微擾展開在數學上極其困難。現在，量子色動力學和弱電理論統和成為標準模型，成為我們對世界認知中極其重要的一部分。

首先，世界（宇宙）裏存在一個希格斯場。它和世界上所有的粒子都有相互作用，體現為質量。它自身又體現為一種零電荷零自旋的標量玻色子。另外，世界存在四類自旋為1的矢量規範玻色子。它們是相互作用中的交換粒子。其中零靜止質量的膠子隻參與同誇克的強相互作用。零靜止質量的光子參與電磁相互作用。W玻色子和Z玻色子負責弱相互作用，它們都有一定的靜止質量。費米子分成三代。它們的自旋都是1/2。每一代都有不參與強相互作用的輕子和參與強相互作用的誇克。輕子裏又有電荷為-1的類電子粒子和相應的電中性的中微子。我們可以看出來，世界上的大多數物質都是由第一代費米子構成。別的費米子不常見。第二代費米子的質量大於第一代費米子。而第三代費米子質量最大。最重的頂誇克的質量相當於一個金原子。現在的理論和實驗證實不存在三代以上的費米子。這些粒子和它們的反粒子就是我們現有認知下的世界的基本元素。另外還應該加上萬有引力作用的引力子。它是自旋為2的張量玻色子。

我們對電磁相互作用的理解最透徹，因為它是我們日常生活，身邊事物的基礎。強相互作用最神秘，僅限於極小的核子和原子核以內的區域。誇克本身帶有一種色荷。我們不妨說是紅色，綠色，和藍色。誇克之間通過膠子交換色荷而結合在一起。在一個重子裏，單個誇克的色荷可以隨時改變，但是三個誇克保證同一時刻分別是紅綠藍的組合。整個重子呈現出無色，這就是色禁閉（很多和尚都做不到，但是重子做到了）。介子由一個誇克和反誇克構成。色禁閉要求一個誇克是紅色時，那個反誇克必須是反紅色。在強相互作用裏有一個誇克禁閉的現象。我們無法觀察到單獨的誇克和膠子。這個現象的反麵就是漸近自由，可以從量子色動力學推導出來，也被實驗證實。同萬有引力和電磁庫侖力相反，誇克之間的作用力隨距離減小而減弱。在高能情況下，強作用也變弱。膠子就像一個橡皮筋。伸展越長，拉力越大。溫度越高，拉力越小。當兩個誇克分開到足夠的距離時，膠子（橡皮筋）就可以斷裂成兩個。而在斷開的兩端分別產生一個誇克和反誇克。這樣就完成了一個重子分裂成一個新重子和介子的過程。現在我們還無法從理論上推導或證明誇克禁閉。這就是克雷數學研究所懸賞的楊-米爾斯場問題。

一個核子（質子和中子）裏的三個誇克束縛在極小的空間範圍。因為海森堡的測不準原理，誇克的動量和能量極高。這體現在核子的大質量上。誇克本身的質量隻占核子質量的百分之五左右。核子裏還有許多的虛誇克和膠子。這些粒子可以隨時消亡，也可以隨時產生。在大型強子對撞機中，兩個高能質子的對撞可以想象成兩個鍾表之間的衝撞。我們不知道，也很期待能撞出什麽東西出來。在原子核裏，強相互作用通過介子的交換將核子束縛在一起。這種核力是誇克和膠子強相互作用的延展。一個核子產生一個具有誇克和反誇克對的介子。這個介子又和另一個核子作用，其中的反誇克和核子裏的誇克湮滅成膠子。同時，介子的誇克和核子另外兩個誇克合成一個新的核子。

--寫於2022年7月31日（圖片來自網絡）