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量子色动力学的进展与其局限性

最近，日本物理学家首次从量子色动力学中精确计算出核子之间的强排斥相互作用，这意味着开启了理论核物理研究的新纪元.该研究成果发表在近期的英国《自然》杂志上.　所谓核子间的强排斥力，主要是指当原子核中的核子之间距离越来越小时，其引力变成的巨大排斥力.核子不是最基本的粒子，而是由更小的粒子—夸克组成.半个多世纪以来，人类对原子核的认知主要来源于实验.核物理学家通常利用著名的量子色动力学理论来描述原子核内部夸克之间的相互作用，量子色动力学解释了许多核物理现象，但科学家对原子核力性质的研究仍然是建立在经验基础上的，一直未能从量子色动力学中导出核子之间的强排斥力.　近年来，科学家利用格点量子色动力学来描述核子之间的强力作用发现，在任何量子问题中，夸克和胶子不是一个确切的粒子，而是一种场.为了研究夸克场和胶子场的运动，计算核子的性质，科学家在时空中建立一种4维立方晶格，利用大功率的计算机来计算核子之间的强力，并取得了一系列重要研究成果.日本研究人员正是在上述研究方向上获得了新的突破.研究人员计算了用6个分布很近的夸克组成的量子色动力学方程，在研究了2个核子的相对分布后，获得了核子之间的相互作用与距离之间的关系曲线.非常重要的是，该计算中使用了4个毫微米大的、能够放置2个核子的格点.

新研究成果的主要成就在于：以前用实验描述的有关核子间的相互作用都可以从这些计算中得到再现，也与实验结果能很好吻合，并首次从量子色动力学中导出了核子间强核排斥力的存在.这意味着开辟了理论核物理学研究的新篇章.研究人员指出，上述成果可使物理学家重新检验以前通过实验获得的原子核的性质，并发现新的现象，也可能因此建立一种更新、更简单的核现象理论.另外，这一成果对天文物理学研究有重要意义.利用精确的核作用理论能够更准确地计算出宇宙中中子星的大小，解释超新星的爆炸机理，进一步研究早期宇宙的物质形态，以及银河系的形成等宇宙演化问题.

（1）该理论能够给其理论内容范围之内的观察事实提供解释.理论的成熟程度与能解释的观察事实的全面性、准确性、无歧义性成正比.如果该理论不能给其理论内容范围之内的观察事实提供解释，那么这个理论就毫无意义了.如果理论的框架十分庞大、外表十分华丽，而能解释是事实并不多，理论的成熟度显然不够.当前的两个“标准模型”（宇宙学标准模型理论和粒子理论标准模型）就存在这样的问题，仅仅是因为“市面”上还没有比它们更好的理论，所以才获得“标准”的美名.说明它们仍然需要进一步改良和发展.

（2）为建立该理论的公理、假设和参量是充分的和必要的.因为公理和假设是理论的基础，因此理论的成熟程度与公理和假设的严密程度成正比，与公理、假设和可调节参量的数量成反比.粒子理论的基本假设就不够严密，它以同位旋不变性这个假设为重要前提，但是事实上同位旋不是一个好的量子数，所以QCD中的同位旋和SU(3)其实是人为塞进去的，然后硬是与SU(2)xU(1)结合起来构造出的理论.标准模型明显的存在假设和可调节参量过多（据他们自己承认多达20个，但是事实上不止，因为轻子和夸克质量参数已达12个，4种规范场量子有中间玻色子、光子、胶子和引力子也达13个加上黑格斯子共达23个，加上不计精细结构常数的耦合强度系数有3个，还有混合角等参数至少4个，因此参量多达30个以上）的问题.尽管这样，QCD和其标准模型仍然解释不了多少事实，所以QCD和标准模型事实上是相当不成熟的理论，只是因为参与建造的权威非常多，于是就黄袍加身罢了.

（3）该理论应该是一个逻辑系统.不可存在内部逻辑混乱、自相矛盾之处，是自洽和完备的.因为数学是表现逻辑的最好方法，所以理论应尽可能数学化.这里应注意数学化的目的是使该物理理论的逻辑系统严密化、简明化和可操作化，而不是使物理数学化，来个喧宾夺主，可是现在的物理理论却不遗余力地力图走这条路，以至于用数学的结果代替物理结论，认为只要数学上可靠的结果，必然是物理上可能的结果.

（4）该理论应该具有预言性和可证伪性.即不但能够提出还未被观察到的可能性，还可以具有被质疑的余地.预言的证实和准确度是理论成熟与否的重要标志之一.可证伪性是包含了预言的可重复性这一必要条件在内，所以是该理论能够经得起考验的科学标志.没有预言性和可证伪性的理论都不是科学理论.超旋理论提出了存在大量（至少与已知的一样多）粒子的预言.可是一个也观察不到，因此也可以说它已经是被证伪了的理论.

（5）物理理论必须同时是可定量的科学.理论给出的计算值与观察量的吻合程度是理论质量的重要标志.物理理论是严密的科学理论，它只能允许理论上肯定存在（如测不准关系）的偏差和测量仪器限制的及环境条件所造成的技术性偏差.然而粒子理论的标准模型却视电磁质量差这个这个明显的事实于不顾，想当然的设定它为电磁作用的后果，以同位旋不变为基础，洋洋洒洒地建立起一套理论来，在数学方法上看似十分严密，但是岂能因为数学的严密就必然能构成严密的物理理论，因为事实上粒子理论离开给出完整的质量谱还遥远着呢.

（6）一个成熟的理论还应具有可扩延性，即该理论与相关的理论可以在一定的边界条件下相互自然的衔接，如果能够通过推广甚至延伸为相关的理论的，则更为优良.相对论和量子力学相对于经典物理都具有这样的特点，但是它们两者之间却不能满足可扩延性.

量子色动力学解释了强相互作用的一些实验现象，但也还存在着许多困难.例如在低能情况下耦合强度较强时，如何按照这理论作外微扰计算问题，又如颜色禁闭性如何从理论上作严格的论证等问题.