物理世界奇遇记-第34章

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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”（此外还带有电荷），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（ｑ，ｑ－）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（ｑ，ｑ－，ｑ）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（ｑ，ｑ，ｑ）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
（即ｒ，ｇ，ｂ），其原因马上就要讲清楚（不过，现在我得立
刻强调指出，它们同日常生活中的颜色并没有什么关系）。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
（例如带红色的ｑｒ和带蓝色的ｑｂ之间）会发生哪种相互作用
呢？答案是：它们会互相吸引。由于（ｑｒ，ｑｇ，ｑｂ）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（ｑｒ，ｑｇ，
ｑｂ）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（ｑ，ｑ，ｑ，ｑ）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（或负色）
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（介子和重子）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（即互补值）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
（我想，我毋须再说明胶子这个名称的来源了吧）。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（大家应该还记得，前面在把介子归入ＳＵ（３）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（即反比于电荷间
距离的平方而减弱），而色力却始终具有相同的值，与距离无关
（除非色荷彼此靠得非常近，这时色力会变得几乎不再存在——
就像一条橡皮筋的两端靠在一起时它会变得疲软没劲那样）。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（或者说胶子力）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。
　　现在我想再为大家介绍另一种力——弱相互作用力。其实，
就它的内禀强度而言，它并不比电力和磁力弱；它之所以显得弱，
是因为它的作用距离甚至比强力还要更短：只有10…17米。　不过，
虽然它的作用距离受到这样大的限制，它在自然界中却扮演着重
要的角色。我们可以举一条核反应链作为例子，这就是氢（Ｈ）
能够聚合变成氦（Ｈｅ），同时释放出能量。这些核反应发生在
太阳上，并且是太阳的能源。在下面几个反应中，第一个反应就
是由弱相互作用引起的：
　　ｐ＋ｐ→２Ｈ＋ｅ＋＋νｅ
　　　２Ｈ＋ｐ→３Ｈｅ＋γ
　　　　３Ｈｅ＋３Ｈｅ→４Ｈｅ＋ｐ＋ｐ
式中γ是名叫γ射线的高能光子，２Ｈ是由一个质子和一个中子
组成的氘核，而νｅ是中微子。
　　弱力也是自由中子发生衰变的原因：
　　　　ｎ→ｐ＋ｅ－＋νｅ－
式中νｅ－是反中微子。
　　顺便说一下，你们大概会觉得奇怪，这一切关于“作用力”
的议论，难道同粒子的相互转变有什么关系吗？也许我应该说明，
只要有粒子彼此产生影响（不管是以什么方式产生的），物理学
家们就总是把它说成“作用力”或“相互作用”所产生的结果。
这种说法不但适用于运动发生变化的场合（即我们日常想到有某
种力在起作用时），而且也适用于粒子改变其身份的场合。
　　前面我已经提到过，与强子不同，无论是电子