qcd01 夸克和电子内部，存在一种新的自由度，夸克和电子分处于该自由度的不同状态。电子内部的弦论是磁单极子弦图像，这不说。而重

循规蹈矩量子色动力学解释

作者：叶眺新 发表日期：2010-9-12 11:51:19 来源：中思网

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二、循规蹈矩量子色动力学解释

1、量子/色/动力学

夸克是带有色荷的，胶子场是夸克间发生相互作用的媒介。这让人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）。关于电荷的动力学早已有了量子电动力学，它发展于上世纪三四十年代。以它为例来理解质子内的色相互作用。电磁场的麦克斯韦方程的量子化。就是量子电动力学。如果说，量子电动力学是研究电子和光子的量子碰撞（即散射）；那么，量子色动力学就是研究质子内夸克和胶子的量子碰撞。

胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子。胶子质量一半为0，光子质量都为0，但它们自旋都为1，是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。强子夸克模型，所有的重子都由3个夸克组成，所有介子都由一对正反夸克组成。为与泡利不相容原理一致，重子内的3个夸克，分别处于不同的状态。

夸克和电子内部，存在一种新的自由度，夸克和电子分处于该自由度的不同状态。电子内部的弦论是磁单极子弦图像，这不说。而重子作为整体，并不显示这种内部自由度的性质。这种情形，与颜色的情形十分相似----红、蓝、绿3原色，组合为无色；一种颜色和它的互补色，组合为无色。把强子的这种内部自由度，称为色自由度，夸克具有色荷，但电子没有。夸克和反夸克的色是互补的，3种不同色荷的夸克，组成的重子是无色的，正反夸克组成的介子，也是无色的。循规蹈矩量子色动力学的特点是：

1）渐近自由。是说当传递的能量、动量非常大时，强相互作用就减弱到渐近于没有强相互作用的自由状态。这是强相互作用类似宇宙的高能量状态，在低温下的一种表现。

2）色禁闭，在实验中，人们不能见到自由的夸克和胶子。因为理论把su(2)×u(1)弱电统一理论和su(3)量子色动力学组合起来，就是su(3)×su(2)×u(1)标准模型，但它不是统一的模型。因为它含有三个相互独立的耦合常数，还有一些参数要通过实验来规定。电子以极大的能量深入到质子内部时，遭遇到的不是“软”的质子靶，而是和电子类似的点状“硬”核。比约肯提出的标度无关性，能解释强子深度非弹性散射的异常现象、喷注现象以及夸克的色禁闭问题。

2、循规蹈矩量子色动力学的历史与人物

1975年，h•乔基和格拉肖提出su(5)大统一理论，统一描述了弱、电磁、强相互作用，耦合常数为一个。su(5)有24个规范场，即8个胶子场，3个中间玻色子场，1个光子场，多的12个x和y规范场有待证明。并由此推出，质子会衰变成介子和轻子，并计算出质子寿命小于一万四千亿亿亿年，可实验证明大于三万三千亿亿亿年，没有得到社会的承认。

1）1954年，杨振宁和他的合作者米尔斯，将对易的u（1））规范群对称性定域化方法，推广到非对易的su（2）规范对称性，建立了定域化的杨-米尔斯规范场理论。如把颜色自由度的su（3）非对易规范对称性定域化，也可得到与颜色su（3）联系在一起的杨-米尔斯场。这就称为色动力学。杨-米尔斯非对易规范场，包含的规范场粒子，如色动力学中的胶子，具有自相互作用和理论的可重整化性。计算中的高能无穷发散总能，被重整化到几个实验观测量中去；而会得到与实验符合的结果。

2）20世纪60年代中期，在量子色动力学建立之前，著名物理学家比约肯猜测到高能轻子散射下，会出现标度不变，便被美国斯坦福电子加速器中心（slac）的电子在核子上深度非弹性实验证实。这种标度不变是在核子中的成分自由运动的暗示。这是量子色动力学渐近自由的先期的实验暗示。

3）20世纪70年代中期，高能物理学家们发现很难用当时流行的散射矩阵模型来解释深度非弹性散射实验数据，费曼由此提出了部分子模型。但问题的真正解决要等到渐进自由的发现。三位理论物理学家格罗斯、维尔切克和玻利泽的计算，表明夸克相互作用强度随能标的增加而减弱，这种奇特的现象解释了在实验数据中发现的标度率。因此在高能下相互可以用微扰方法来很好地处理。但是在低能下相互作用强度很强，微扰方法就失效了。

至今量子色动力学仍然是一个没有被完全解决的问题。

4）20世纪60年代中期，我们国内科学家们是率先把夸克作为实体来看待的，并建议用层子代替夸克，称这物体最小单元，可惜层子这一名称，没有在世界上流行开来。而那时认识夸克，除了具有自旋、电荷等最子数，还具有所谓的味道。至今已经发现的夸克有u,d,s,c,b,t六种味道。实际上开始时所认识的三种味道的夸克，是其中的u,d,s。它们的质量小，现代被称为轻夸克。夸克的反粒子，被称为反夸克。每种味道的夸克，都有对应的反夸克。反夸克的量子数全部是反的。夸克是物质结构向小尺度方向探讨。

5）1964年，格林伯格引入了夸克的“颜色”概念-----三个夸克全同，那就给它们来个编号或着上“颜色”（红、黄、蓝），从而不再违反泡利原理了。这样一来，每味夸克就有三种颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色）相互作用的胶子）一起组成了61种自旋态世界。加上希格斯质量粒子，就是62种自旋态世界，这得到了不少实验的支持，并发展成量子色动力学。

6）20世纪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。夸克幽禁口袋模型，实际可看成截面是圈态，再把圈态作自旋，如作体旋的结果。圈态收缩是圈线，这和弦理论有联系。如夸克，被认为绑在弦的两端，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。而既然胶子带色荷，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。李政道的截面真空色荷反屏蔽圈态模型，如作体旋，是口袋模型；再作截面是弦模型。