向麦克老大三呼夸克!——《芬尼根守灵夜》詹姆斯·乔伊斯

物质之下是原子,原子之下是亚原子粒子,它们分别是电子质子中子,再往下就是最基本的粒子「夸克」!我们都知道夸克不能单独存在,它必须在强核力的作用下束缚在一起,形成一些复合粒子,但这是为什么呢?我们经常会听到「这是因为夸克禁闭!」夸克为何禁闭呢?今天我们就说下「为什么不存在自由夸克?」

夸克为啥不能自由存在?我们能否将夸克分离出来?-MAAMX

强力是自然力中最奇怪的力。它把单个质子中子结合在一起形成原子核,并且解释了核聚变和裂变的质量损失问题,控制了标准模型中一半以上粒子的相互作用。为什么说强力最奇怪呢?首先从“最简单”的力「引力」说起。

引力的作用性质

引力从某种程度上说确实很简单,因为在生活中引力很普遍,很容看到。在宇宙中的任何事物都有这么一种固有的属性,它要么有质量、要么有能量或者两者兼有,那么两个有质量或能量的物体彼此之间就会施加一种力,这就是引力,也是牛顿的说法。如果按爱因斯坦的说法就是:质量(能量)会弯曲时空结构,而物质会沿着弯曲的时空结构运动。

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其实质量或能量可以通过E = mc^2结合在一起来考虑,它们其实是一个东西!为了方便下文的对比,我们现在称其为引力电荷。引力电荷只有一种「正电荷」,当然力也就只有一种「吸引力」。所有带引力的物体(任何带质量的物体)都会吸引其他带引力的物体,如果引力电荷变大或物体靠近,引力就会变大。根据牛顿引力方程,质量增加两倍受到的力也会增加两倍,而距离减少一半受到的力会增加四倍。如果我们把受引力作用的物体移到很远很远的地方,那么它们之间的引力就会降为零。这一点非常重要:

当两个质量物体之间的距离越来越大时,引力就会降为零。

这就是引力,在长距离的情况下,所有的物体(黑洞视界之外的东西)都能以足够的能量(动能)获得自由。下面我们说电磁力!

电磁力的特性

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当我们考虑电磁学的时候,电磁力就稍微比引力复杂了一点。但在某种程度上电磁力和引力也非常像,因为电荷加倍,电磁力就会加倍,距离减半,电磁力也增加四倍。区别是电磁力有两种不同类型的电荷:正电荷和负电荷。

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同种电荷(正电荷和正电荷)相互排斥,而相反的电荷(正电荷和负电荷)相互吸引。这一点和引力有相当大的区别,因为在电磁力上不仅有吸引,还有排斥。在力的形式上(距离更小力更大)依然和万有引力是一样的。虽然带两种类型的电荷(正电和负电)互相吸引,但在很远的距离上,力依旧会降为零。

这两种力「万有引力和电磁力」是生活中最常见的力,因此这两种力也很符合我们的直觉。但是当我们遇到强力时,一切都变的不一样了。

夸克的色荷

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首先在强力中,不只一种或两种电荷,而是有三种色荷(下面我们都称电荷)。它不像质量(引力电荷),总是为正,变现出吸引力;或者不像电荷,可以是正的,也可以是负,可以是吸引力,也可以是排斥力,这取决于正负电荷的组合形式,而所有的夸克都带有三种电荷中的一种:红色,绿色或蓝色。

第二,电荷不是夸克的固定属性!比如一个有质量的粒子(例如电子),那么这个质量就是这个粒子固有的性质;比如一个带电荷的粒子(还是一个电子),电荷就是粒子本身的属性「电荷不会改变」。但是对一个夸克来说就不是这样的,比如说,某一个夸克是一个带有+(2/3)e电荷的红色夸克,它的固有质量大约是2.3 MeV/c^2,但是这个夸克的“红色”性质不是固有而是短暂的!当我们在几分之一秒后再看这个夸克时,它可能是蓝色的,也可能是绿色的,这取决于它所经历的相互作用!

第三,强力总是会变现出吸引力,这一点和引力或电磁力的表现方式不一样。后面我们再说这么问题!

首先我们先看一下夸克的“颜色”(色荷)在一个中子的内部是如何变化的。

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在一个中子里有一个上夸克和两个下夸克,对于三个夸克,可能有两个红色和一个蓝色,两个蓝色和一个绿色,或者三个绿色?三个红色?三个蓝色?事实证明并没有,因为在任何时候,三个夸克中总是有一个红色,一个绿色和一个蓝色。这些夸克通过胶子来交换颜色,每个胶子含有一种颜色和一种反色,总共有八种正反色组合。

有三种颜色(红、绿、蓝)和三种反色(反红=青色、反绿=红、反蓝=黄)这里更多的问题,胶子为何是8种正反色组合,可以通过头条APP搜索「胶子在夸克间是怎样传递强力的?」,第一条内容就是更加详细的解答。

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所以夸克的色荷真的很奇怪!引力只有一种电荷:正电荷只表现吸引力。电磁力,有两种类型的电荷:正电荷和负电荷(其中负电是“反正电”),它们结合在一起可能具有吸引力,也可能具有排斥性。但是现在对于色荷,我们有三种类型,每种类型都有自己的反类型!这些类型和反类型都以一种非常奇怪的方式联系在一起。

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我们把红、绿、蓝三个颜色看作是组成等边三角形的三个“方向”。如果想要夸克的色荷发生交换,而且表现出中性,就必须存在某种特定的夸克组合。因此可以有三个夸克,三个反夸克,一个夸克-反夸克的组合,或者更多的,例如:四个夸克和一个反夸克,两个夸克,两个反夸克,六个反夸克等等!不在乎夸克的组合有对奇怪,有多复杂,只要保证它们组合在一起呈中性“无色”就行,或者我们简单地称之为白色。

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所以这就解释了为什么我们看到质子中子(重子是三夸克的组合)、反质子和反中子(反重子,每个都有三个反夸克),或者π介子和K介子(介子,夸克和反夸克的组合),必须是无色的。

为什么不存在自由夸克

如果我们取一个π介子,它可以是一个上夸克和一个反上夸克的组合,然后我们试着把夸克-反夸克组合拆开?我们能做到吗?

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当我们想要分离两个夸克的时候,两个色荷离得越远,吸引力就会越强。这有点像弹簧,拉得越远,弹簧“弹回”的力就越大。

如果我们给系统注入大量的能量,使夸克继续分离,最终需要的能量可以足以在空间中创造出新的粒子-反粒子对!

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造成这一现象的原因是,强力与其他的力不同。在引力中,如果有一个单独的质量(引力电荷),它产生的力在质量附近很强,但是远离时,就会降为零。在电磁力中,如果有一个单独的电荷,它所产生的力(无论是吸引的还是排斥)在离电荷很近的地方很强,当远离时,也会降为零。

但是在强力中,如果有一个单独的颜色电荷,它产生的力会随着距离的增加变得越来越强,只有当两个色荷离的非常近的时候力才会降为零!如果宇宙中曾经有过自由夸克的存在,即使是存在了很短的一段时间,也需要大量的能量来产生自由夸克,而这时的能量也会在真空中产生粒子-反粒子对,直到所有的色荷变成无色。其实这就发生在宇宙暴涨后不久的大爆炸初期,这是宇宙的能量是我们无法现象的,我们称这个时期为「夸克-胶子等离子浓汤!」

所以永远不会有一个在宇宙中持续存在自由的夸克,因为“自由”所需要的能量足以产生新的粒子,而这些粒子将会自发地将自己限制在无色状态。