按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
总是躲藏着，怎么能称夸克是“真实的”呢？但这个术语最终还是十分令人遗憾。很多作者，完全忽视我对“数学上的”和“真实的”两个术语所作的解释，还忽视下面我将描述的事实（这一事实现在已被普遍公认为是正确的），硬说我并不相信夸克的存在。一旦这种误解在通俗作品里出现了，就会使误解永远存在下去，因为许多作家会简单地相互抄袭。丰富多彩的胶子
由于夸克被禁闭，那么它们之间的力一定不同于我们熟悉的电磁力。这种不同是如何产生的呢？
两个电子之间的电磁力是由于光子的虚交换所引起，那么夸克能束缚在一块一定也是由于交换另一种量子而产生一种力的缘故。这种量子称为胶子（gluon），因为它能像胶一样把夸克粘在一起，成为像中子和质子一样可以观察的白色物体。胶子对味毫不理会——我们可以说胶子是“味盲”（flavor…blind），但它们对色十分敏感。事实上，色（color）对胶子起的作用，犹如电荷对光子起的作用，即胶子与色的相互配合和光子与电荷的相互配合一样。
与光子相比较，色的三色性要求胶子有不同的特性：对不同的色，有不同的胶子。在图13—2（a）中，一个红色夸克在虚发射一个红…蓝胶子后变为一个蓝色夸克，而这胶子被一蓝色夸克虚吸收后，这蓝色夸克就变为一个红色夸克。在图13…2（b）中一个蓝色夸克在虚发射一个蓝…绿胶子后变为一个绿色夸克，而绿色夸克虚吸收了这个胶子后变为一蓝色夸克。（顺便说一下，胶子的反粒子也是一个胶子，例如，蓝…绿和绿…蓝胶子是彼此的反粒子。）在图中选择不同味的夸克（即上、下夸克），以说明味和发射胶子的色过程无关。量子色动力学
大约在1972 年前后，我们中的许多人致力于系统地阐述一个确定的有关夸克和胶子的量子场理论。我称这一理论为量子色动力学（quantumchromodynamics，QCD），其中chromo 是希腊文一个词根，意思是color（色）。这个理论似乎是一个正确的理论，大家都这么认为，但是还有大量的数学计算工作等着我们去做，只有做完了这些计算，我们才能得知理论的定量预计是否与观测相一致，即能否证实夸克、反夸克和胶子（所有的核物体如中子和质子均由它们构成）真的按量子色动力学的规则运动。为了比较量子电动力学（QED）和量子色动力学（QCD），我们可以作一个图表来说明。在QED 里，电子和正电子通过光子的虚交换而相互作用，而在QCD 中，夸克和反夸克类似地通过胶子的虚交换而相互作用。电磁力起源于电荷；我们也可以设想色力起源于色荷 （color charge）。电荷和色荷都守恒——电荷不能被创造也不会被毁灭，色荷也如此。
但是，这两个理论之间有一个关键的不同处：在QED 里携带电磁相互作用的光子是电中性的，而携带色力的胶子却是多色性的。由于胶子都有色，所以它们之间的相互作用就与光子不同，由此可知，QCD 的方程与QED的不会相似。现在已经知道，色力与电磁力或其他以前我们知道的力大不相同，色力在大距离并不衰减。QCD 的这一特性可以解释何以带色的夸克和反夸克以及多色的胶子，总是禁闭在诸如中子和质子这样的白色客体里。色力的作用有些像一根弦把它们束缚在一起。
虽然夸克永远被禁闭而不能在实验室里被直接探知，但人们在一些漂亮的实验里，证实质子中有夸克的存在。例如，一束高能电子流可以用来当作电子显微镜，探测质子的内部情形，而且它使人们确信夸克的存在已被证实。当我的朋友泰勒（RichardTaylor）、肯德尔（Henry Kendall）和弗里德曼（Jerry Friedman）为这样一个实验而获得诺贝尔物理学奖时，我感到非常高兴。（我只不过想说明，我事先就注意到这个实验是证实夸克存在的一个好办法。）QCD 显示的简单性
在一个原子核里，中子和质子被束缚在一起（但它们并没有受到监禁，可以独立地分离，不像夸克那样被囚禁）。现在已经知道，这些粒子由夸克组成，那么这些粒子间的核力如何描述呢？当我还是一个研究生时，这种力还是一个有待解决的伟大秘密。现在，大部分理论物理学家们都相信，QCD 已经给出了答案，虽然有关的计算决不能说完毕了。这种情况颇有点像原子或分子间的力的情形，虽然人们早就相信这种力，但直到20 世纪20 年代晚期才由于量子力学的发现而得到解释；这种力绝非基本力，而仅仅是电磁力（用量子力学方法处理）的间接结果。同样，核力也不是基本的力，而是色力的一种间接效应，这种色力也是由于夸克…胶子相互作用而产生。
中子和质子虽然被了解得非常透彻，但它们并非唯一可以观察到的（白色）核粒子。从40 年代晚期，首先在宇宙射线实验中粒子高能碰撞时发现核粒子态，后来在高能粒子加速器中也发现核粒子态，至今已发现几百种核粒子态了。现在，它们统统可以看成是由夸克、反夸克和胶子组成。夸克这个图式体现了量子色动力学明确的动力理论，揭示了表面上非常复杂的态模式（pattern of states）下潜藏着的简单性。而且，这些态都是用“强相互作用”（strong interaction）彼此相互作用，在这种相互作用里包括核力。强相互作用的许多表现，都可以看作是基本的夸克…胶子相互作用的间接结果。量子色动力学揭示了强相互作用和核粒子态（这种相互作用的参与者）的简单性。电子和电子中微子——弱相互作用
虽然核粒子和它们的组成部分十分重要，但还有一些更重要的问题。例如，电子并不具有色，也不关注色力或由此引起的核力。在一个重原子里，绕核旋转的最里层的电子，实际上很多时间在核里运动，这样它自然地要感受到质子由电磁效应引起吸引力，但它感受不到核力。
虽然电子不具有色，但它却有味。正如d 夸克有u 夸克作为它的味伙伴一样，电子也有电子中微子作它的伙伴。电子中微子似乎是一个非常安静的伙伴，因为它电中性，不仅感受不到核力（如电子那样），而且也感受不到电磁力。例如，它可以穿过地球，而相互作用的概率很小很小。由太阳热核反应产生的中微子，在白天像雨一样落到地面，到晚上它们则穿过地球从地面冒出来。当作家厄普代克（John Updike）从书中得知中微子的行为时，他在“宇宙的烦恼”（Cosmic Gall）一诗中写道：中微子多么渺小，没质量微不足道。没有电荷，对谁也不干扰。地球是个傻大个，驰骋穿过自逍遥。无论气体多特异，还是铜墙铁壁挡，它进退伸缩真自如，穿过了地球，还回头礼貌一笑。深夜它从床底飞出，穿过梦中人的身体，惊动不了一丝一毫！啊，我说这宇宙真令人烦恼，你却道：世事真无限奇妙！（为了满足科学性，上面第4 行诗应改为“对谁也几乎不干扰”。）
遗憾的是对太阳中微子的探测，仍然存在许多问题。测得的比率比预言的要低，这使得物理学家们提出了各种各样的解释，这些解释的可信程度也各种各样。我的同事福勒（Willy Fowler）有一次竟然提出，太阳中心的核熔炉也许在以前什么时候已经熄灭了，而太阳内能量的传递机制非常之慢，以至熄灭的信息仍未传到太阳的表面。没有多少人相信这是一个正确的解释，但是，如果它真是一个正确的解释，那我们在某一天将会面临真正的能源危机了。
如果中微子既不受强力的作用又不受电磁力的作用，那么它怎么会在太阳的中心产生，我们又怎么能在地球上的实验室探测到它呢？这就需要另一种力，即所谓的弱力（weak force）。电子中微子和电子都参与了这种相互作用。正因如此，我修正了厄普代克的诗句（“do not interact atall”）。弱力按下面方式引起相互作用：1．当质子中的一个电子变为一个电子中微子时，这个质子同时就变为一个中子。这个反应是中微子何以产生的一个范例。这儿提到的质子是一个重核的一部分，电子是绕核旋转最里层电子中的一个，这轨道上的电子有相当一部分时间在核里运动。2．相反的过程，即一个电子中微子转变为一个电子，同时一个中子转变为一个质子。这个反应说明一个中微子如何能被探测到，因为中子靶就在核内。既然中子和质子都不是基本的，那么，上述反应就还不是基本过程，最基本的过程应涉及到夸克：1．一个电子转变为一个电子中微子，同时一个u 夸克转变为1 个d夸克。2．一个电子中微子转变为一个电子，而一个d 夸克同时变为一个u夸克。
在电子转变为电子中微子（或相反）和u 夸克转变为d 夸克（或相反）的这些反应里，都涉及到一种味的改变。如量子场论中任何这种过程一样，在这些反应过程中一定有一个量子进行了交换。对两个反应中的任一个（其中第1 个反应如图13…4 左图所示）都在相同的费曼图中有两种形式；一种形式涉及交换带正电荷的量子，而另一种则涉及交换带负电荷的量子。这种量子的存在在50 年代晚期被提出，25 年后在CERN 被鲁比亚（CarloRubbia）和范德米尔（Simon van der Meer）在实验中发现，他们两人因此获得诺贝尔物理学奖。这个量子通常被称为W＋和W…，这是李政道和杨振宁在一篇著名的论文中指定的名称，但我和费曼仍然经常用X＋和X来表示。量子味动力学和中性弱力
电磁力和弱力都可以看作是味力（flavor force），这是因为电荷随味一起变化，而弱力则涉及到味的改变。在50 和60 年代，量子味动力学（quantum flavor dynamics）被提出来了，它将量子电动力学和一种弱力理论综合起来研究。格拉肖（Sheldon Gla