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在平常讨论的核力中,假设原子核中的核子也是色单态的,也就是和自由的核子差不多。虽然也都说,核子之间的作用类似于分子之间的范德瓦尔斯力,但是具体讨论问题的时候,其实与色无关。如此冲突的观念一直存在于核力的研究中,为什么呢?
原因是原子核中的对称性自发破缺,它在核力中扮演着重要的角色。1925年,日本科学家汤川秀树在电动力学理论的启发下,构建了一个核力的理论。也就是说核子之间通过某种介质传递核力。这种介质叫π介子。
这个理论其实非常神奇,因为电动力学是规范不变的,由规范不变性给出光子,光子的静质量为0。但是在汤川秀树的理论中,关键的区别是这个π介子有质量。
然后实验上发现了这个π介子。这就启发了一些人去对比两个理论的关系,这就导致了非阿贝尔规范理论的思想。然后发现,在这种理论中,π介子不能有质量。
看起来简单,但是都是冲突。
于是另外一种想法进入了核物理。由于质子和中子具有SU(2)群,所以可以结合对称性自发破缺来考虑。这个想法很有意思。因为对称性自发破缺,也可以导致一种没有质量的粒子出现。
但是这种想法保留了下来,因为这个π介子质量比较小。
当量子色动力学发现以后,我们才知道,仅仅从质子和中子的角度来看问题是不够的。质子和中子中有两种夸克,每一个核子内部有三个夸克。这个夸克质量很小。质量为0的费米子,具有手征性。于是两个夸克可以用SU(2)对称性来描述,而且有左手征和右手征。
然后是事实揭示出,这种手征性在低能不存在,这种对称性自发破缺了。这样就必然要存在一种无质量的粒子,这就是π介子(实际上有质量)。所以π介子的由来,有着很奇特的历史。π介子是由正反夸克构成的,所以很难理解这个对称性是怎么破缺的。
核子中有三个价夸克,然后是正反夸克构成的夸克海,当然还有胶子。直观的理解,是夸克海中的正反夸克被核子扔了出来,然后被另一个核子接收。
很难理解是怎么和对称性自发破缺有关的。这个过程,似乎同时发生了夸克和核子的尺度上。
不过这个结果是正确的,因为基于这个想法的有效场理论获得了很大的成功。对称性自发破缺,意味着手征性表现了特定的方向,这很有意思。
也就是说,原子核中的核子的确和自由的核子不一样,因为出现了π介子。这个介子和电动力学中的不一样,不是规范作用本身出来的。而是自发破缺重新由夸克排列出来的,我的确没有想清楚里边的物理过程,但是可以理解为当核子组合成原子核的时候,这个系统不仅还有核子,还出现了π介子。所以核子必然也发生了变化。
这种自发对称破缺,导致了核子和π介子的作用,这是核力理论的核心。但是我想不明白,这和色力是如何相关。这也是以前的核力理论不讨论色的原因。但是我们知道,原子核中的一切都与色力相关。
也就是说,色力的涨落,导致了π介子的出现,其实还有别的介子甚至是重子。原子核中的世界是非常复杂的。核子能构成原子核的事实,就说明,这些夸克通过重新调整作用方式,比如产生π介子,降低了整体的能量。有人会怀疑,这不是多了东西了么?是的,但是这意味着原子核中核子的能量减少了,也就是EMC效应。
自由核子中的夸克和胶子束缚在一个非常小的体积内,而且高能量时还会出现渐进自由,类似自由粒子,这就导致它们的动能部分非常高。越往高能的部分,大部分都是动能。就和普通物质温度升高一样。
当核子聚合在一起的时候,不仅夸克胶子会从一个核子直接透射到另一个核子,甚至会掉下来π介子,(掉下来不是很简单么,为什么会对称性自发破缺呢?)这本身实际上是正反夸克对出现,也许也是直接透射的结果。(π介子中的夸克的动能是不是比核子中更高?)
当核子聚集成原子核时,由于结合能非常小,所以一定要清楚,质子和中子在大部分时候都是有定义的,也就是说还是可以看成是质子和中子的,只是产生了小的偏离。
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