物理世界奇遇16教授的最后一篇演讲上Word下载.docx

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　　　　1964年，盖尔曼和兹威格指出，粒子所表现出的相似性和家族图形同样是某种内部结构的反映。

这个建议坚持认为，当时被当作“基本粒子”的200多种粒子，事实上很可能是由更为基本的组成部分构成的合成物。

这些组成部分被叫做夸克。

目前，大家都相信夸克是真正的基本粒子。

它们被看做是不具有由“亚夸克”组分组成的内部结构的点状物。

但是，谁知道是不是这样呢？

我们也可能又一次被证明是错误的！

　　　　最初的方案是根据当时已知的三种类型或者说有三种味的夸克制订的。

这三种夸克是上夸克、下夸克和奇夸克。

前两种夸克之所以这样命名，是因为它们的同位旋采取朝上和朝下的方向。

奇夸克的名称则出于它带有新发现的一种物理性质——奇异性。

20世纪70年代，人们辨认出带有另外两种性质的粒子，到了90年代，又辨认出另一种性质。

于是，后来的方案就必须把带有新发现的性质的夸克包括进去。

所有这6种夸克的性质都在表１中列出。

　　　　除了这6种夸克以外，还有6种反夸克，它们的各个量子数全都与表１所示的值相反。

例如，奇夸克S的反夸克S－的q＝＋１／3，B＝－１／3，S＝＋１。

表１　　　夸克的各种性质

QBScbｔd

-1/31/30000U

2/31/30000s

-1/31/3-1000c

2/31/30100b

-1/31/300-10ｔ

2/31/30001

　　表中Q是电荷，B是重子数，S是奇异数，ｃ是粲数，b是底数，ｔ是顶数。

竖行中的d，U，S，ｃ，b，ｔ分别代表下、上、奇、粲、底、顶等6种夸克。

　　　　　　这些夸克和反夸克可以合成高能碰撞中产生的所有新粒子。

重子是由3个夸克构成的。

因此，举例来说，质子是的组合，中子是，而Λ0是。

你们可以从表１中查出，上面这些组合确实产生了各种粒子所具有的性质。

　　　　反重子是由3个反夸克组成的，这就使得重子和反重子具有截然相反的性质。

　　　　那么，像π介子这类介子呢？

介子是由一个夸克和一个反夸克组合构成的。

例如，π＋介子是的组合。

你们可以再一次从表１中查出，这种组合正好给出π＋介子的全部性质：

B＝0，q＝＋１。

　　　　我必须指出，并非所有粒子都是由夸克构成的。

只有重子和介子才有这样的结构。

事实上，我们把所有这类粒子统称为强子。

强子能感受强核力的作用；

而另一些类型的粒子，像电子、μ子和中微子等，就不是这样了，它们统称为轻子。

其实，“重子”和“轻子”这两个名称可能并不太准确，它们是根据粒子质量的轻重定下来的。

但是，我们目前已经知道，有一种轻子——τ粒子——比质子还要重一倍，根本就不是什么“轻”粒子！

因此，最好是根据粒子到底是强子还是轻子，来对它们进行描述。

　　　　到目前为止，我们只谈到被束缚在强子里的夸克。

那么，自由夸克是什么样的呢？

它们应该是很容易根据它们的分数电荷而被辨认出来的吧！

　　　　尽管人们尽了最大的努力，却从来没有人见到过自由夸克。

即使是在最高能的碰撞中，也从未发射出夸克来。

这就要求物理学家对它作出合理的解释了。

　　　　有一种流行过一时的想法认为，夸克并不是真实的东西，而只不过是数学上的玩意儿——一种有用的虚构物。

是粒子的表现使人觉得它们似乎是由夸克构成的，但并没有现实的夸克这种东西。

　　　　但是，后来人们却无可争议地证明了夸克的真实性，这是历史重演的又一个例子。

请大家回想一下，1911年卢瑟福爵士是怎样通过把子弹射入原子并观察到某些大角度反弹，从而证明原子核的存在的吧。

这是因为大角度的反弹表明，入射粒子在原子中撞上了一个很小的密实的靶。

1968年，人们开始有可能把高能电子射入质子的内部，并开始积累了电子偶尔发生大角度侧向反弹的证据，这表明电子撞上了质子内部某种很小的密实的带电物体，从而证实夸克的确是存在的。

不仅如此，从这种大角度散射的频率出发，就可以计算出在质子内部有3个夸克。

　　　　好了，既然确实有夸克存在，那么，为什么它们从来不单独出现呢？

此外，我们还必须再提一个问题：

为什么我们只能得到和的组合，而得不到像和那样的组合呢？

为了解释这个问题，我们得转而谈谈夸克之间的作用力的本质。

　　　　首先我们要回顾一下，氢原子的质子和电子之间的吸引力是怎样由质子和电子所带电荷之间的静电作用力引起的。

这样，通过类比，我们要引人另外一种“荷”。

我们假定夸克就带有这种“荷”，而强力就是由于这种“荷”之间发生相互作用而引起的。

我们把这种“荷”叫做色荷，为什么这样叫，以后大家就会明白。

　　　　就像正负电荷会互相吸引一样，正负色荷也会互相吸引，不过其作用力要强得多。

我们假定夸克带有正色荷，而反夸克带有负色荷，这就解释了为什么容易出现介子的组合的原因。

我们再一次通过同静电场的类比，假定同性的色荷互相排斥，这就说明了不存在组合的原因。

正如靠近氢原子的第二个电子不会附在氢原子上，是因为它对质子的吸引力被它对已经处在原子中的那个电子的排斥力抵消掉了一样，第二个夸克也不会附在介子上，因为它受到介子中已有的另一个夸克的排斥。

　　　　不过，你们大概想问：

那么，你怎么解释的组合呢？

这里我们必须注意到电荷和色荷之间的差异。

电荷只有一种，它可以是正的，也可以是负的；

而色荷却有三种，其中每一种都可以是正的，也可以是负的。

我们管它们叫做红、绿、蓝，其原因马上就要讲清楚。

既然色荷有三种，便出现了一个问题：

在带有不同种色荷的夸克之间会发生哪种相互作用呢？

答案是：

它们会互相吸引。

由于组合中的三个夸克各自带有不同的颜色，而每一个夸克都受到其他两个夸克的吸引，所以这时的吸引力非常强大，能使结合得特别牢固，特别稳定，因而就产生了重子。

　　　　为什么不会出现的组合呢？

因为色荷只有三种，所以第四个夸克所带的色荷必定与已经存在于重子里的三个夸克当中的某个夸克相同，这样一来，它就会受到带有同一种色荷的夸克的排斥。

结果，这个斥力正好同另外两个带有不同色荷的夸克对第四个夸克所施加的吸引力抵消掉了，因此，第四个夸克就不能加入重子的组合。

　　　　说到这里，大家可能开始明白为什么要用“色荷”这个名称了。

正如原子整个说来一般是电中性的那样，我们说，容许的夸克组合也应该是色中性的，或者说应该是“白色”的。

把颜色混合成白色的方法有两种：

或者是把一种颜色同它的补色结合在一起；

或者是把三个原色结合在一起。

而这两种方法正好是把几种色荷结合成完全色中性的组合的法则。

　　　　现在，我们来作个小结：

夸克带有色荷r，g或b的正值，而反夸克则带有这些色荷的负值r－，g－，或b－。

同性的色荷互相排斥，例如，r排斥r，g－排斥g－。

而异性的色荷互相吸引，所以r吸引r－，等等。

最后，不同种类的色荷也互相吸引。

　　　　我们还得再提出一个问题：

为什么不存在独立的夸克呢？

为了回答这个问题，我们必须更深入地了解色力的本质，事实上也是了解各种作用力的本质。

　　　　量子物理学认为，粒子间的相互作用并不是连续而是分立的，按照这种精神，我们认为一种作用力——任何一种作用力——从一个粒子传递给另一个粒子的机制，牵涉到第三个中介粒子的交换。

从根本上说，我们可以认为粒子１朝着粒子2的方向射出那个中介粒子，在这个过程中，粒子１会发生一次反冲，就像枪支在射出子弹时会朝着与子弹运动相反的方向反冲那样。

粒子2在接受中介粒子时，也吸收了它的动量，从而向后退离粒子１。

这种交换的整个效果是迫使两个粒子分开。

当那个中介粒子从粒子2回到粒子１时，上述过程又重复了一次，也再一次迫使两个粒子分开。

其净效应是两个粒子互相排斥，也就是说，它们都受到一个斥力。

　　　　那么，引力是怎么回事呢？

实际上是同样的机制在起作用，不过，如果大家坚持要进行类比的话，这一次我们必须认为粒子并不是射出子弹，而是扔出一个飞去来器。

粒子１朝着背离粒子2的方向射出中介粒子，从而经受到一次朝着粒子2的反冲；

而粒子2这时则从相反的方向接受到中介粒子，所以也被推向它的同伴。

　　　　在两个电荷之间产生电作用力的场合下，中介粒子是光子、由于一再交换光子，两个电荷或是互相排斥，或是互相吸引。

　　　　事情既然如此，我们就不禁要问：

夸克之间的强相互作用力是不是也可以用交换某种中介粒子来解释呢？

答案是肯定的，夸克也是通过交换一种叫做胶子的中介粒子而在强子中束缚在一起。

胶子有８种不同的类型。

其所以如此，是因为在交换胶子的过程中，夸克要保持它们的分数电荷和分数重子数，还要能够交换它们的色荷。

胶子在被第一个夸克射出时，带走了这个夸克原来的色荷，但是，夸克是不能够没有颜色的，因此，在它失去原来的颜色的同时，它就要带上第二个夸克的颜色。

而那个胶子在到达第二个夸克时，会把这个夸克原来的色荷抵消掉，同时把从第一个夸克带来的色荷转交给它。

这样，交换胶子的净效果是两个夸克交换了色荷。

　　　　要使这种转换能够发生，胶子就必须既带有某种色荷，又带有与之互补的色荷。

举例说，胶子Grb将带有色荷r和B，它可以参加下面的转换过程：

　　　　Ur→Ub＋Grb　接着是　Grb＋db→dr这里有三种色荷和三种互补色荷，因此，色荷和互补色荷之间便可以有3×

3＝9种不同的可能组合，这些组合分成一个八重态和一个单态表象时，我们已经介绍过八重态和单态。

胶子的单态对应于rr－，bb－和gg－等组合，由于它是色中性的，它不会同夸克发生相互作用，因此我们便不再考虑它。

这样便只剩下八重态，也就是说，总共有8种胶子。

　　　　像光子一样，胶子是没有质量的；

但是，和光子不同，光子本身并不带有电荷，而胶子——正如我们刚刚指出的——却带有色荷。

因此，胶子不但能同夸克发生相互作用，而且在胶子自身之间也是如此。

这就引人注目地改变了它们所传递的作用力的特性。

电作用力会随着电荷问距离的增大而减弱，而色力却始终具有相同的值，与距离无关。

因此）当两个夸克靠在一起时，它们之间只有非常小的作用力，但是，当距离增大时，这个力就会达到一个固定不变的值。

　　　　现在请大家记住这一点，跟着我回到为什么没有发现单独的夸克这个问题上来。

假定我们试图把两个夸克分开。

由于它们之间存在着固定的作用力，为了使它们的距离增大，就必须使用越来越多的能量。

最后，你会达到这样一个时刻，就是你为了拉断那条把两个夸克连在一起的纽带所使用的能量，已经大到足以产生一个夸克一反夸克对。

这时所发生的事情是：

那条纽带突然断开了，并且产生了一对夸克和反夸克。

在新产生的这对夸克和反夸克中，那个反夸克立即与被拉出的夸克凑在一起，并组成一个介子，而那个夸克却留在强子里取代了旧夸克的地位。

这种情况与你拿着一根磁铁试图把它的南、北极分开时所出现的局面非常相似。

在把磁铁分成两半时，新的南、北极产生了，留下的是两根磁铁，你完全没有达到取得单独的磁极这个目标。

同样，断开夸克之间的纽带也不会产生单独的夸克。

　　　　我们曾经说过，质子和中子都是色中性的，并且在它们之间存在着一种吸引力。

正是这种力对抗着原子核中带正电的质子之间的静电斥力，使原子核粘得很牢而不致散开。

为了理解核子之间怎么会出现这种强相互作用力，让我们回忆一下原子是怎样组成复杂的分子的——尽管各个原子本身都是电中性的。

这种作用于各个原子之间的所谓范德瓦耳斯力之所以能够产生，是由于其中每一个原子里的电子都发生重新排列，从而使它们受到属于其他原子的原子核的局部吸引，这样就产生了一种能把各个原子结合在一起的外部剩余力。

与此相似，一个核子里的夸克也能够用这种方式进行自我调整，从而产生了一种能够吸引邻近核子的组成部分的外力——尽管每一个核子都不具有净色荷。

因此我们知道，作用于核子之间的强力也可以看作是组成它们的夸克之间的更为基本的胶子力的“泄漏”。

　　　　这样一来，强作用力便在自然界各种不同的作用力之间占有一席之地。

说到万有引力、电力和磁力，它们都是长程力，因而能产生很容易观察到的宏观效果，这里只要提出行星的轨道和无线电波的发射这两个例子就够了。

但是，强作用力却是短程力，它的作用距离只有10-15米，也就是同原子核的尺寸一般长。

正是强力的这种短程性质，使得它要难以发现得多。

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