6.夸克禁闭问题的由来.docx

科学界经过近百年研究实验，已经确认：所有重子衰变的最终产物除质子外是电子、中微子和光子；所有介子和轻子衰变最终产物也是电子、中微子和光子；中微子伴随着弱相互作用，电子和光子在一定条件下可以互相转化.在所有粒子衰变整个过程中，其能量、动量、角动量、电荷数、重子数均完全守恒，而且是朝着能量降低方向自发进行的.在人类科学实验目前所能达到的最高能量的粒子碰撞反应中，单位电荷始终是最基本的，能自由分离出来，稳定存在的带电单位.在高能粒子加速器中靠粒子碰撞反应寻找比子体能量还大得多，带分数电荷的“夸克”作为最基本粒子的想法是不明智的.经过几十年的努力，最终只找到一些少得可怜的间接证据，至今仍无法将其分离出来，并使之稳定存在.

按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场，群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范场，群元不可以交换．一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得多．电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项，体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的胶子，自身改变颜色．所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由”和“夸克幽禁”了．

现代物理学认为：由于弱相互作用的媒介子质量太大，夸克有幽禁，所以弱相互作用和强相互作用只在微观世界呈现.不过宏观上的现象也有，原子弹爆炸，就是宏观的强相互作用现象.在强相互作用中，红夸克与红夸克也是排斥的，所以在介子中，只有红夸克与反红夸克才束缚在一起.强作用力存在于夸克之间，它是原子核内起维系作用的力量，它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起.夸克之间越接近，强作用力越弱.当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以至于它们完全可以作为自由粒子活动.这种现象叫作“渐近自由”，即渐近不缚性.与此相反，当夸克之间的距离越大时，强作用力就越强.有人认为夸克之间越接近，强作用力越弱，是由于进入凝聚态，色电、色磁耦合削弱了强相互作用之故！此时也不是单个夸克的自由活动，而是无色的夸克对或环的自由活动，而且适用玻色统计.色胶子和夸克在极度接近时（此时它们具有极高的能量和色温）发生色电、色磁耦合，表现为吸引，强相互作用极大地削弱！而将色电、色磁耦合的色胶子和夸克分离需要极大的能量，这就是“夸克禁闭”和电子极难粉碎，无法观测到单独的夸克和胶子.没有达到极度接近时（例如大于11倍普朗克尺度——11L_PL），要想使粒子能进入11L_PL尺度附近或之内，就要给粒子以足够的动能（使之具有极高的能量和色温），这就显示着越接近，强相互作用为强斥力；而更远距离，核力又显示着微弱的吸引力（弱相互作用）美国的三位物理学家因为研究这个问题荣获2004年诺贝尔物理学奖金.笔者认为此时应当是电磁力与强相互作用的合力.《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：７３．自由夸克能否直接在实验中被发现？

“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的．耦合常数变小是由于真空的反色屏蔽效应引起的．真空中的夸克会使真空极化（即它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为电的屏蔽效应．与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而来）．由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是所谓“渐近自由”．渐近自由是量子色动力学的一项重要成果，它使得高能色动力学可以用微扰理论计算．但是在低能情形或者说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难．量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动力学的困难．

“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去．红黄蓝三色夸克组成无色态，强子都是无色的．一旦夸克可以从质子或强子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了颜色，能量很高，导致真空爆炸．实际这些都没有发生，暗示自然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验．不过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是应该的确存在的．夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了几个理论．有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的口袋，可将夸克束缚住而逃不出来；有人提出了弦理论，认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂，断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从而自由的夸克从来不可能出现；也有人说，既然胶子带色荷，胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样，夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸克之间有线性禁闭势存在；90年代中期塞伯和威滕用他们发展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁．关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不够充分．

按照冼鼎昌院士的说法，夸克模型是在当时不知道在强子内部是否有新的力学规律在起作用的情况下，朱洪元院士考虑到在当时已知的最高能量下，物理实验结果表明量子数、本征值、几率波这些概念仍然有效，猜想在强子内部的小尺度范围中，用波函数描述状态、用算符描述物理量的基本概念和方法仍然有效，于是朱洪元院士才提出引入强子内部的结构波函数来描述强子内部结构的状态的.朱洪元院士认为，在引入波函数以描述运动着的强子时，应当区分描述内部运动和整体运动的两个概念；通过对已知实验数据的分析，可提出层子在强子内部的运动速度远小于光速，是非相对论性的；但强子的整体运动，可以是相对论性的，这样，可以在强子的静止坐标系中定出非相对论性的结构波函数，然后通过洛伦兹变换得到作自由运动的强子的波函数.目前科学界提出了夸克理论，指出存在且已验证存在六种夸克，对于每一种夸克，都存在着相应的反夸克，反夸克的质量、自旋同于夸克，而电荷、奇异数和重子数的数值相同、符号相反，在强相互作用中奇异数守恒.夸克带有分数electriccharge，夸克之间的相互作用随着夸克之间的距离增加而增加，以致巨大的撞击能量未分离开夸克，而产生两个或三个夸克组成的强子，夸克之间存在着强相互作用，靠这种相互作用，每一个介子由一个夸克和一个反夸克组成，每一个反重子由三个反夸克组成，每一个反重子由三个反夸克组成.这个理论又称为夸克的禁闭理论.按照这个理论单个夸克是是不能从强子中分离出来的.李政道认为：“现在所知道的基本粒子有6种轻子、6种夸克，但是夸克不能单独存在，是看不见的，这很奇怪.”，把这个问题列为21世纪科技界面临的四个问题之一.1994年美国物理学家Seiberg和Witten的一系列工作在严格求解量子场论方面取得了突破，第一次从理论上证明了磁单极子的凝聚给出夸克禁闭.

所谓夸克的概念只是量子论的推论出的某个结论！在实验中并没有找到自由的夸克又怎么可以确定自由夸克的静质量呢？夸克模型本质上是建立在变种的量子力学的基础上的.几十年来的实验只是提供了一些非常间接的证据来证明夸克的存在并没有发现自由的夸克存在！而且用夸克处理核物理问题困难重重！更重要的是夸克的概念违背了世界简单和谐统一的美的要求！世界真的有那么多种类的夸克？今天夸克的概念就如同二十世纪初的以太概念一样严重的阻碍和束缚着我们对世界形成统一认识！