色动力学
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“量子色动力学”这一名称听起来有点可怕，念起来有点拗口，应该这样念：量子/色/动力学。这个理论认为，夸克是带有 色荷的，胶子场是夸克间发生相互作用的媒介。这不禁让我们想 起电子是带有电荷的，传递电子间相互作用的媒介是电磁场（光子场）。的确，关于电荷的动力学我们早已有了，它叫“量子电 动力学”，发展于三四十年代。一般读者对电磁相互作用都有点 熟悉，因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用。电磁场 的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体地说，量子电 动力学就是研究电子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量 子色动力学是研究夸克和胶子的量子碰撞的。
胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子一样。胶子和光子都是质量为0、传递相互作用的媒介粒子，都属 于规范粒子。两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生 的（虚光子只在相互作用中间过程产生，其能量和动量不成正比， 不能独立存在，在产生后瞬时就湮灭。由相对论知道，自由运动 的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子。给予我们光明和热 能的是实光子，它的能量和动量成正比，脱离源后，能独立存 在），自然，两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生 的。虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量，交给另一个夸克， 于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里，我们 会说，不是重复了一下吗？量子色动力学可以由量子电动力学依 葫芦画瓢建立起来，真是太容易了！不过实际上没有这么简单。 按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场， 群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范 场，群元不可以交换。一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得 多。电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的 生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个 生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不 带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项， 体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的 胶子，自身改变颜色。所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许 多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由” 【2-3】和“夸克幽禁”【4-6】了。
“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也 会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常数变小是由 于真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化（即 它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极 化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷 变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空 极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为 电的屏蔽效应。与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而 来）。由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克 比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是 所谓“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果， 它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。但是在低能情形或者 说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难。
量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距 离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动 力学的困难。
“夸克幽禁 ”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红黄蓝三色夸克组成无色态，强子都是无色的。一旦夸克可以从质子或强 子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空 的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了 颜色，能量很高，导致真空爆炸。实际这些都没有发生，暗示自 然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技 巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验。不 过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是 应该的确存在的。夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了 几个理论。有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的 口袋，可将夸克束缚住而逃不出来【7-9】；有人提出了弦理论， 认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂， 断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从 而自由的夸克从来不可能出现【10】；也有人说，既然胶子带色荷， 胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如 一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样， 夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸 克之间有线性禁闭势存在【11】；90年代中期塞伯和威滕用他们发 展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁【11】。 关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不 够充分
胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子一样。胶子和光子都是质量为0、传递相互作用的媒介粒子，都属 于规范粒子。两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生 的（虚光子只在相互作用中间过程产生，其能量和动量不成正比， 不能独立存在，在产生后瞬时就湮灭。由相对论知道，自由运动 的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子。给予我们光明和热 能的是实光子，它的能量和动量成正比，脱离源后，能独立存 在），自然，两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生 的。虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量，交给另一个夸克， 于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里，我们 会说，不是重复了一下吗？量子色动力学可以由量子电动力学依 葫芦画瓢建立起来，真是太容易了！不过实际上没有这么简单。 按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场， 群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范 场，群元不可以交换。一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得 多。电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的 生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个 生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不 带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项， 体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的 胶子，自身改变颜色。所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许 多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由” 【2-3】和“夸克幽禁”【4-6】了。
“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也 会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常数变小是由 于真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化（即 它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极 化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷 变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空 极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为 电的屏蔽效应。与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而 来）。由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克 比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是 所谓“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果， 它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。但是在低能情形或者 说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难。
量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距 离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动 力学的困难。
“夸克幽禁 ”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红黄蓝三色夸克组成无色态，强子都是无色的。一旦夸克可以从质子或强 子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空 的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了 颜色，能量很高，导致真空爆炸。实际这些都没有发生，暗示自 然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技 巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验。不 过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是 应该的确存在的。夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了 几个理论。有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的 口袋，可将夸克束缚住而逃不出来【7-9】；有人提出了弦理论， 认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂， 断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从 而自由的夸克从来不可能出现【10】；也有人说，既然胶子带色荷， 胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如 一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样， 夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸 克之间有线性禁闭势存在【11】；90年代中期塞伯和威滕用他们发 展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁【11】。 关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不 够充分
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