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強(qiáng)相互作用理論—量子色動(dòng)力學(xué)
2010-09-09 |文章來源: | 瀏覽次數(shù):  |

原子核內(nèi)粒子的間的強(qiáng)作用力是原子核內(nèi)起維系作用的力,它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起,并將原子中的質(zhì)子和中子束縛在一起。
  1967年初,美國斯坦福大學(xué)20GeV的電子直線加速器建成(右圖),隨著能量增大,實(shí)現(xiàn)了高能電子的“深度非彈性散射”,出現(xiàn)了新現(xiàn)象。由于質(zhì)子的直徑約為(10)^(-13)厘米,高能電子正好可探測(cè)到質(zhì)子內(nèi)部,因此被稱為電子-質(zhì)子的深度非彈性散射。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),質(zhì)子內(nèi)有無數(shù)點(diǎn)電荷,且基本上是自由運(yùn)動(dòng)的。這一發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家們大吃一驚。
  
  1969年,美國科學(xué)家費(fèi)曼(Richard Philips Feynman,1918-1988)(左圖)提出了部分子模型(parton model),他認(rèn)為強(qiáng)子是由許多帶電的點(diǎn)粒子構(gòu)成,這些點(diǎn)粒子稱為部分子,在高能電磁相互作用和弱相互作用過程中可以近似作為相互獨(dú)立的粒子。
  部分子模型和夸克模型是從不同的角度、用不同的方法,得出了同樣的結(jié)論。
  部分子模型和夸克模型結(jié)合起來描述:強(qiáng)子是夸克通過色相互作用結(jié)合成的復(fù)合粒子,強(qiáng)子內(nèi)的部分子可以由三類粒子組成:一類稱為價(jià)夸克,它們的數(shù)目和味是確定的,并隨不同強(qiáng)子而不同,價(jià)夸克決定強(qiáng)子的性質(zhì);第二類稱為??淇?,它們的數(shù)目和味  是不確定的,但其總和的味性質(zhì)和真空相同;第三類稱為膠子,它們的數(shù)目不定,其味性質(zhì)和真空相同,起傳遞色相互作用的作用。
  質(zhì)子內(nèi)部除了uud 三個(gè)夸克(價(jià)夸克)外,在極高能量的電子打入后又被激發(fā)出了無數(shù)的正反夸克對(duì)(q`q)(海夸克),所以才看到了無數(shù)的“自由運(yùn)動(dòng)”的點(diǎn)電荷(右圖)。這樣,在低能下看到的質(zhì)子(由三個(gè)夸克組成)和在高能下看到的質(zhì)子(內(nèi)部有無數(shù)個(gè)幾乎自由運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)電荷粒子)就統(tǒng)一起來了。正反夸克對(duì)(q`q)的“自由運(yùn)動(dòng)”意味著強(qiáng)作用力在能量升高時(shí)“變?nèi)酢薄?
    
  1973年,美國科學(xué)家格羅斯(David Jonathan Gross,1941- )(左 圖左)、波利茨(Hugh David Politzer,1949- )(左 圖中)、威爾茨克(Frank Wilczek,1951- )(左圖右)通過一個(gè)完善的數(shù)學(xué)模型說明:夸克之間越接近,強(qiáng)作用力越弱。當(dāng)夸克之間非常接近時(shí),強(qiáng)作用力是如此之弱,以便到它們完全可以作為自由粒子活動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為“漸近自由”(Asymptotic Freedom)。反之,夸克之間距離越大,強(qiáng)作用力就越強(qiáng)?!皾u近自由”的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了全新的理論——量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)的誕生。
    量子色動(dòng)力學(xué)解釋了膠子(gluon)的存在(膠子是強(qiáng)子中的電中性粒子,其作用是使夸克粘合而形成強(qiáng)子,膠子有八種態(tài)),認(rèn)為帶色的夸克通過交換膠子而結(jié)合,即夸克與夸克、或夸克與反夸克、或反夸克與反奈克之間通過膠子而結(jié)合在一起(右圖)。凡帶有色荷的粒子能放出和吸收膠子,從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)相互作用。吸收和放出膠子可使夸克改變顏色。而原子核內(nèi)的核力是核子內(nèi)夸克之間強(qiáng)相互作用力的剩余效應(yīng)。
  實(shí)驗(yàn)中一直沒有發(fā)現(xiàn)自由夸克和膠子的存在。因夸克和膠子都有“色”量子數(shù),一種猜測(cè)是帶有顏色的夸克和膠子就像被囚禁在整體無色的“牢籠”里面,這種現(xiàn)象稱為“色禁閉”(color confinement)?!吧]”的解釋已有各種理論證據(jù),但仍然屬于研究的前沿問題。


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