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自然量子论中的强相互作用物理图像

已有 775 次阅读 2025-11-8 08:41 |个人分类:量子力学|系统分类:科研笔记

按:自然量子论本来将讨论范畴限制在低能区间(<<电子自能,如数十keV以下),这里做了一些延伸,保留部分疑问。

I. 引言:量子色动力学中物理图像的丧失

在量子色动力学(QCD)中,强相互作用由一种抽象的“色”对称性(SU(3)c)来描述。夸克携带三种“色荷”,胶子则通过规范场传递它们之间的相互作用。尽管这一框架在数学上自洽,却完全缺乏任何可直观理解的物理图像:

  • 什么是“色”?

  • “禁闭”在物理上意味着什么?

  • 为何夸克永远无法自由出现?

这些问题通常只能用隐喻而非机制来回答。

相比之下,自然量子论(Natural Quantum Theory, NQT)将强相互作用解释为:延展场结构内部的一种自组织电磁–磁相干现象,其中“色”代表内部场涡旋的真实相位–偏振模式

II. 从电荷相干到场禁闭

在自然量子论中,电磁相互作用源于振荡电荷分布之间的相位相干。当多个振荡场在空间上重叠时,它们的相对相位与偏振耦合决定了彼此是吸引、排斥还是共振。

在极小尺度下(接近或小于粒子的康普顿波长),这些振荡极其剧烈,以至于电磁场自身无法再自由向外辐射能量,而被迫将能量局域循环,形成闭合的电–磁涡旋结构。

这正是禁闭的物理起源:并非某种“神秘的色力”,而是在极端相干约束下,自旋电磁场的自然稳定态

III. “夸克”的内旋结构

在此图像中,我们所谓的“夸克”对应于禁闭结构内电磁场的一种基本涡旋模式。每种模式具有:

  • 确定的旋转取向(右手或左手自旋耦合);

  • 一个分数化的电相位偏移——在宏观上表现为“分数电荷”。

数学上,这些分数相位耦合对应于内部相干空间中 2π/3 的旋转,因此呈现出三种不同的“色”模式。物理上,它们是同一个相干电磁涡旋系统的三种稳定旋转本征模

因此:

“色” ↔ 内部场旋转的相位取向。

所谓的 SU(3) 结构并非抽象的内禀空间,而是真实电磁–磁涡旋系统所具有的三重旋转对称性

IV. 强耦合即相干磁锁定

当两个或多个此类涡旋共存(如质子或中子内部)时,它们的磁环流场相互重叠。由于每个涡旋同时携带电荷分布与磁通量,它们会因相对旋转相位不同而产生相互锁定或排斥的力

  • 若环流方向互补,场结构稳定互锁 → 形成束缚强子;

  • 若环流方向不兼容,场相互排斥 → 阻止自由夸克存在。

这一机制无需引入抽象的规范禁闭,即可自然复现禁闭特性:只有当复合结构维持全局相位相干时,电–磁场才能自组织为能量最低的稳定构型。

在此意义上,“胶子”并非独立粒子,而是连接涡旋之间的磁通所承载的集体振荡模式——即维持夸克间相位连续性的场桥

V. 为何强相互作用“强”?

强相互作用的“强度”源于场的压缩。当相干半径接近粒子的康普顿尺度(核子约为 10⁻¹⁵ m)时,场曲率与储存的磁能变得极其巨大。

与长程电磁场不同,这种闭合磁通构型无法通过辐射释放能量。任何扰动都会激发强烈的局域恢复力,从而自然呈现出:

  • 短距离:内部相干稳定自平衡 → 相互作用弱(渐近自由);

  • 长距离:相干开始失效 → 强烈恢复响应(禁闭)。

这种双重行为源于自旋场的能量–相位平衡,无需引入跑动耦合常数或重整化程序。

VI. 胶子与“色交换”的重新诠释

在 QCD 中,胶子是携带“色”与“反色”的无质量矢量玻色子,作为色交换的媒介。在 NQT 中,这种“交换”具有直接的物理含义:通过共享磁力线,在相邻涡旋之间传递局域相干相位

因此,胶子是相干连接中的局域扰动——即耦合磁通通道中的真实振荡脉冲。其“色荷”标签指明了哪一对旋转模式正在相互作用(即哪些相干相位正在调整)。

这为整个 SU(3) 代数提供了几何诠释:

8 种胶子态 = 三种涡旋模式之间的 8 条独立相位交换通道。对称性破缺对应于一个冗余相位旋转自由度的丢失(全局相干约束)。

于是,QCD 的规范对称性不再是抽象的内禀群,而是旋转相干性的物理对称性

VII. 强子化:复合态中的相干恢复

当高能碰撞破坏夸克相干性时,系统会立即试图恢复内部相位闭合——这在实验上表现为强子化。并非自由夸克出现,而是场重新组织为保持整体相位中性的闭合结构(介子、重子)。

QCD 中的“色中性”条件,在 NQT 中对应于总相位环流的闭合

∑�Δ��=2��iΔϕi=2πn

只有此类闭合构型才是动力学稳定的,这与实验中从未观测到孤立夸克的事实一致。

VIII. 对比总结:QCD 与自然量子论

概念量子色动力学(QCD)自然量子论(NQT)
基本对称性SU(3) 色规范对称性三重相位–偏振旋转对称性
夸克“色”抽象电荷标签内部场旋转的真实相位取向
胶子规范玻色子磁通相干连接的振荡模式
禁闭规范性质,非微扰自禁闭磁涡旋相干
渐近自由跑动耦合常数小尺度下内部相干稳定
色中性色荷总和为零总相位环流闭合
质量起源非微扰 QCD 能量相干失衡所储存的磁能

IX. 结语:强相互作用是场的终极自组织

在自然量子论中,强相互作用并非作用于抽象内禀空间的神秘“色力”,而是场自相干性的终极体现。它代表了在康普顿尺度下,延展场涡旋通过相位与偏振的强耦合所实现的电磁–磁自束缚

QCD 形式体系的成功,实际上掩盖了一个深刻的物理真相:自然的稳定性源于真实场之间的相干约束,而非数学群对称性

在最深层意义上,电磁、弱、强三种相互作用并非三种独立的力,而是同一基本场在不同相干机制下的三种表现

  • 相位相干 → 电磁相互作用

  • 偏振相干 → 弱相互作用

  • 旋转相干 → 强相互作用

标准模型中它们的“分离”,仅仅是因为数学形式主义将本质上连续的场相干层级人为割裂了。

英文版本:

https://faculty.pku.edu.cn/leiyian/en/article/7733/content/2712.htm#article



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