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第13章 粒子物理的创立（第2页）

电磁力与强核力的量级差别非常大。电磁力可以移动原子周围的电子，使化学反应（比如生火）得以发生。强核力则涉及移动原子核中的质子和中子，它能引发核爆炸。

电磁力是关于粒子与光子场的耦合的，并且粒子通过虚光子进行交流，所以从逻辑上讲，强核力也有自己的场，并且夸克能与之耦合，盖尔曼把这种场称为“胶子场”。你懂的，因为它把粒子胶合在一起。

接下来，我们要赋予夸克一种属性。光子场中粒子的耦合能力叫电荷，盖尔曼需要一种属性使夸克与胶子场耦合，他选择了一个不太有用的词：色荷。

“黏性”这个词可能更适合，但盖尔曼确实有自己的理由。不同于电荷的两种形式（正电荷与负电荷），色荷有三种，这让人联想到光的三原色。

夸克有红、绿、蓝三种“色荷”，它们通过胶子结合在一起，颜色相互抵消，形成整体呈“白色”的质子和中子。夸克并不是字面上的红色、蓝色和绿色（实际上它们没有颜色，参阅附录Ⅴ），我们通常把它们画成红色、蓝色、绿色，只是为了故意造成混淆。

费曼关于电子和光子的量子场论是量子电动力学，因此盖尔曼把关于夸克和胶子的量子场论称为“量子色动力学”（QCD）。这个名字来自希腊语中的“a”，意思是颜色。

看来我们被困在这里了

费曼关于轻子的QED理论和盖尔曼关于胶子的QCD理论有一个最大的区别，那就是在QED中，一切都可以用相反的术语表示：吸引与排斥，正与负，物质与反物质，等等。我们可以通过颠倒方程和图表解决所有的问题，但强核力涉及三种色荷，因此不再是改变立场的问题。有三种不同选择的时候，“相反”这个词就不再适用。

此外，反夸克还有反色，分别是反红、反蓝和反绿。也就是说，如果QCD成立，我们就必须解释六种色荷。电荷是光子以相反的方式运动的结果，但胶子不同，盖尔曼必须对它们的古怪行为做出合理的解释。

我们需要一种更复杂的费曼图，在这种图中颜色可以转换。

电子和正电子都带有电荷，而夸克可以互相交换色荷。假设有两个夸克，分别是红色和蓝色，胶子场可以转换它们的颜色，红夸克变成蓝夸克，蓝夸克变成红夸克。

QCD图用螺旋线代表胶子，两个夸克之间的相互作用可以这样计算／描绘：

夸克之间移动的胶子把蓝色荷带到左边，把红色荷带到右边。这意味着在来回穿梭的过程中，虚胶子是色彩丰富的。

色荷交换也可以解释为什么强核力总是相互吸引，而电磁力既可以吸引，也可以排斥。因为虚胶子有多种颜色，每一端都有夸克。根据定义，胶子把一个夸克的色荷转移到另一个夸克，如果去掉其中一个夸克，对应的胶子就会空下，其中的色荷将无处安放。

夸克有色荷，这是它们与胶子场耦合的另一种说法。夸克永远不会独立存在，因为夸克的本性就是“通过胶子与其他夸克结合”。强核力总是具有吸引力的。

其对应的术语叫“夸克禁闭”。夸克总是成对出现（介子）、三个一起出现（重子）、四个一起出现（四夸克），等等。我们从来没有见过“裸”夸克—真实的术语—尽管那些变态的物理学家竭尽全力地想要看一眼。

我们把两个夸克放在胶子线的末端（介子），让它们在磁场中旋转，直到胶子管折断。

遗憾的是，当我们做这个实验的时候，胶子会产生额外的能量，并立即把这些能量转移到夸克场，在裂口两端产生新的夸克。一个介子变成两个介子。夸克不会单独存在，即使它们被强迫分开。

在费曼的QED中，光子不具有电荷（它们引起电荷）；但在盖尔曼的QCD中，胶子和夸克一样拥有色荷，这意味着胶子可以与胶子相互作用，随意地来回交换量子彩虹。

我们知道，质子由三个夸克组成，胶子在夸克之间来回移动。最开始我们认为三个胶子呈三角形，但由于胶子能彼此交流，现在我们认为夸克之间的胶子呈Y形。

这也意味着胶子不需要夸克也能粘在一起，形成自己的纠缠胶子对，我们称之为“胶球”。

在某种程度上，这种新增加的复杂性使QCD比费曼的QED更令人印象深刻、更错综复杂；但从另一种角度来看，QED优雅得多，它只需要一种交换粒子，而QCD需要好几个（8种胶子才能交换所有的颜色组合）。感谢上帝，夸克只有两种，对吧？

奇异的魅力

盖尔曼的上／下夸克很伟大。把它们按正确的顺序组合起来，我们就能解释粒子动物园中几乎所有已知的粒子。关键词是“几乎”。

有一个粒子是特殊的。不能把K介子描述成上夸克和下夸克的组合。它更像是一个上夸克与一个较重的下夸克胶合在一起。

考虑到电子有几个已知的、重得多的相对粒子（μ子和τ子），盖尔曼认为下夸克也一样。K介子的行为的确很奇异，所以盖尔曼用“奇异”这个词给第三种夸克命名，并给出了QCD中所有必需夸克的列表，来看看吧：

盖尔曼用复杂的数学方法预测了上夸克和下夸克，但即使不是诺贝尔奖得主也能发现这张表缺少什么。如果下夸克有一个更重的对应粒子，难道上夸克不应该也有一个吗？如果存在第四种夸克，这张表不是更简洁、更漂亮吗？

物理学家谢尔顿·格拉肖相信有第四种夸克，并计算出了它可能具有的性质。有一些细微的证据可以证明它的存在（科学家预测K+和K0粒子会转变成更轻的粒子，盖尔曼的三夸克理论也是这样预测的，但实际并非如此），但格拉肖很大程度上是凭直觉，他认为宇宙应该是完美的。

很多时候，科学家是顽固的怀疑论者，他们不相信没有证据的想法，但有时他们也是人，也怀有憧憬。

格拉肖深信大自然是美丽的，所以他给他憧憬的粒子取名为“粲夸克”（1）。迷人的大自然使夸克更加和谐、对称。他的乐观在1974年得到了回报，粲夸克被发现了。记住，在物理学中，有时你可以期望大自然知道她正在做什么。

“3”显然是个神奇的数字

在阿瑟·克拉克的科幻名著《与拉玛相会》（RehRama）中，人类发现了一处被外星人抛弃的建筑，它是由一个迷恋数字“3”的物种建造的。人类发现了有三条裤管的外星人服装、三联体的建筑，这个神秘物种的每个决定似乎都被复制了三次。大自然也有类似的困扰。

在粲夸克得到验证的前一年，事实上也是《与拉玛相会》出版的那一年，小林诚把这种对称而简洁的想法又推进了一步。QED中有三种物质粒子—电子、μ子和τ子，所以也许QCD只是重复了相同的趋势。

粲夸克是上夸克的“胖姐姐”，奇夸克是下夸克的“胖姐姐”。还会有第三代吗？小林诚不相信必败的设想，他给这些夸克取名为“底夸克”和“顶夸克”。它们分别在1977年和1995年被发现。

在《与拉玛相会》的结尾，人类还有许多困惑：外星人是谁？为什么它们选择“3”？在粒子物理中，情况也是如此。

为什么夸克和轻子都有三代？有第四代吗？三个世代与三种色荷有关联吗？没人知道。

也许有一天，我们能突破胶子线的禁闭，分解出一个独立的夸克，然后进一步了解它们的行为。也许有一天，我们可以得到裸粲夸克、裸奇夸克和裸上夸克。如果我们足够幸运，终有一天我们能够瞥见裸底夸克（2）。

（1）　格拉肖的命名是“charmquark”，意思是“魅力、美好”，所以这个词最早被翻译成“魅夸克”。中国物理学家、教育家王竹溪先生将其翻译成“粲夸克”—“粲”与“charm”谐音，出自《诗经·唐风·绸缪》中的“今夕何夕，见此粲者”，其中“粲”是美好的意思。“粲夸克”这个译名沿用至今。—译注

（2）　原文是“om”，字面意思是**的下身。—译注