物理奖渐近自由基本粒子强相互作用的关键.pdf

美国科学家戴维美国科学家戴维美国科学家戴维 波利策波利策波利策 戴维戴维戴维 格罗斯和弗兰克格罗斯和弗兰克格罗斯和弗兰克 维尔切维尔切维尔切 克等三人克等三人克等三人 发现了粒子物理的强发现了粒子物理的强发现了粒子物理的强 相互作用理论中的相互作用理论中的相互作用理论中的 渐近自由渐近自由渐近自由 现 现现 象象 象 特颁以特颁以特颁以 年度诺贝尔物年度诺贝尔物年度诺贝尔物 理学奖理学奖理学奖 瑞典皇家科学院瑞典皇家科学院瑞典皇家科学院 标准模型标准模型标准模型 现代物理学认为自然界中的现代物理学认为自然界中的现代物理学认为自然界中的 基本相互作用有四种类型基本相互作用有四种类型基本相互作用有四种类型 如图如图如图 所示所示所示 它们具有截然不同的性它们具有截然不同的性它们具有截然不同的性 质和特征质和特征质和特征 粒子物理学的标准模型是一粒子物理学的标准模型是一粒子物理学的标准模型是一 套描述电磁相互作用套描述电磁相互作用套描述电磁相互作用 弱相互作弱相互作弱相互作 用和强相互作用这三种基本相互用和强相互作用这三种基本相互用和强相互作用这三种基本相互 作用作用作用 以及构成所有物质的基本以及构成所有物质的基本以及构成所有物质的基本 粒子的理论粒子的理论粒子的理论 它属于量子场论它属于量子场论它属于量子场论 并并并 与狭义相对论和量子力学相容与狭义相对论和量子力学相容与狭义相对论和量子力学相容 自标准模型提出至今已有自标准模型提出至今已有自标准模型提出至今已有 多多多 年年年 其间它不断地发展和完善其间它不断地发展和完善其间它不断地发展和完善 迄迄迄 今为止今为止今为止 几乎所有对以上三种相几乎所有对以上三种相几乎所有对以上三种相 互作用的实验结果都与标准模型互作用的实验结果都与标准模型互作用的实验结果都与标准模型 的预言高度一致的预言高度一致的预言高度一致 它所受到的实它所受到的实它所受到的实 验检验的广度验检验的广度验检验的广度 深度及精度是科深度及精度是科深度及精度是科 学史上任何一个理论都无法比拟学史上任何一个理论都无法比拟学史上任何一个理论都无法比拟 的的的 但是但是但是 标准模型还不是一个标准模型还不是一个标准模型还不是一个 万有理论万有理论万有理论 因为它不包括引力因为它不包括引力因为它不包括引力 相互作用相互作用相互作用 标准模型包含两种粒子标准模型包含两种粒子标准模型包含两种粒子 费米子和玻色子费米子和玻色子费米子和玻色子 费米子与玻色费米子与玻色费米子与玻色 子的重大差异体现在子的重大差异体现在子的重大差异体现在 自旋自旋自旋 这一这一这一 量子力学特性上量子力学特性上量子力学特性上 费米子服从费费米子服从费费米子服从费 米米米 狄拉克统计狄拉克统计狄拉克统计 有半整数自旋有半整数自旋有半整数自旋 如 如如 粲夸粲夸粲夸 物理奖物理奖物理奖 渐近自由渐近自由渐近自由 基本粒子强相互作用的关键基本粒子强相互作用的关键基本粒子强相互作用的关键 年出生年出生年出生 年在年在年在 美国哈佛大学获得物理学美国哈佛大学获得物理学美国哈佛大学获得物理学 博士学位博士学位博士学位 此后在物理学界此后在物理学界此后在物理学界 屡有不俗表现屡有不俗表现屡有不俗表现 奠定了其在奠定了其在奠定了其在 物理学术界的地位物理学术界的地位物理学术界的地位 目前在目前在目前在 美国加利福尼亚大学理工美国加利福尼亚大学理工美国加利福尼亚大学理工 学院物理系担任教授学院物理系担任教授学院物理系担任教授 同时同时同时 也是该校粒子物理研究领也是该校粒子物理研究领也是该校粒子物理研究领 域的学术带头人之一域的学术带头人之一域的学术带头人之一 年出生年出生年出生 年获加年获加年获加 利福尼亚大学伯克利分校物理利福尼亚大学伯克利分校物理利福尼亚大学伯克利分校物理 学博士学位学博士学位学博士学位 年被普林斯年被普林斯年被普林斯 顿 大学 聘 为教 授顿 大学 聘 为教 授顿 大学 聘 为教 授 年年年 月月月 担任加利福尼亚大学圣巴担任加利福尼亚大学圣巴担任加利福尼亚大学圣巴 巴拉分校卡夫利理论物理研究巴拉分校卡夫利理论物理研究巴拉分校卡夫利理论物理研究 所所长所所长所所长 曾获美国国家科学院曾获美国国家科学院曾获美国国家科学院 美国物理学会美国物理学会美国物理学会 美国科学促进美国科学促进美国科学促进 会和一些私人基金会的多项科会和一些私人基金会的多项科会和一些私人基金会的多项科 学大奖学大奖学大奖 年出生年出生年出生 年年年 获普林斯顿大学物理学博获普林斯顿大学物理学博获普林斯顿大学物理学博 士学位士学位士学位 之后在普林斯顿之后在普林斯顿之后在普林斯顿 开始执教生涯开始执教生涯开始执教生涯 年前年前年前 往美国西海岸的加利福尼往美国西海岸的加利福尼往美国西海岸的加利福尼 亚大学圣巴巴拉分校担任亚大学圣巴巴拉分校担任亚大学圣巴巴拉分校担任 教授教授教授 年秋天年秋天年秋天 担任麻担任麻担任麻 省 理 工 学 院 的 物 理 系 教省 理 工 学 院 的 物 理 系 教省 理 工 学 院 的 物 理 系 教 授授授 被誉为美国最杰出的被誉为美国最杰出的被誉为美国最杰出的 理论物理科学家之一理论物理科学家之一理论物理科学家之一 聚焦 克克 克 底夸克底夸克底夸克 9 如 如如 1 介子介子介子 量子电动力学是关于电磁相量子电动力学是关于电磁相量子电动力学是关于电磁相 互作用的量子理论互作用的量子理论互作用的量子理论 它以极高的它以极高的它以极高的 精度正确预言了电子与光子相互精度正确预言了电子与光子相互精度正确预言了电子与光子相互 作用的性质作用的性质作用的性质 是一种规范理是一种规范理是一种规范理 论论论 它的巨大成功使其成为物理它的巨大成功使其成为物理它的巨大成功使其成为物理 学家在发展描述其他基本相互作学家在发展描述其他基本相互作学家在发展描述其他基本相互作 用理论时效仿的典型用理论时效仿的典型用理论时效仿的典型 的精的精的精 髓是髓是髓是 带电粒子带电粒子带电粒子 如电子如电子如电子 通过交通过交通过交 换光子而相互作用换光子而相互作用换光子而相互作用 而光子是电而光子是电而光子是电 磁场的量子磁场的量子磁场的量子 电弱统一理论是标准模型的电弱统一理论是标准模型的电弱统一理论是标准模型的 重要组成部分重要组成部分重要组成部分 它将电磁相互作它将电磁相互作它将电磁相互作 用和弱相互作用视为同一种相互用和弱相互作用视为同一种相互用和弱相互作用视为同一种相互 作用作用作用 在相互作用过程中在相互作用过程中在相互作用过程中 如果交如果交如果交 换的是换的是换的是 0 1和 和和 2 3粒子粒子粒子 就是就是就是 弱相互作用过程弱相互作用过程弱相互作用过程 如果交换的是如果交换的是如果交换的是 光子光子光子 就是电磁相互作用过程就是电磁相互作用过程就是电磁相互作用过程 电电电 弱统一理论可以通过弱统一理论可以通过弱统一理论可以通过 重整化重整化重整化 而 而而 消除其中所有的消除其中所有的消除其中所有的 无穷大无穷大无穷大 因此因此因此 弱相互作用能与电磁相互作用一弱相互作用能与电磁相互作用一弱相互作用能与电磁相互作用一 样进行精确的计算样进行精确的计算样进行精确的计算 并经受实验并经受实验并经受实验 的精确检验的精确检验的精确检验 电弱统一理论是电弱统一理论是电弱统一理论是 3 世纪物理学发展的一项划时代的世纪物理学发展的一项划时代的世纪物理学发展的一项划时代的 成就成就成就 迄今为止迄今为止迄今为止 人们尚未做到将人们尚未做到将人们尚未做到将 电弱相互作用和强相互作用统一电弱相互作用和强相互作用统一电弱相互作用和强相互作用统一 起来起来起来 但是物理学家在杨但是物理学家在杨但是物理学家在杨 1 密尔密尔密尔 斯规范场理论的基础上斯规范场理论的基础上斯规范场理论的基础上 提出了提出了提出了 描述强相互作用的量子理论描述强相互作用的量子理论描述强相互作用的量子理论 量子色动力学量子色动力学量子色动力学 是标是标是标 准模型的另一个重要组成部分准模型的另一个重要组成部分准模型的另一个重要组成部分 它认为夸克之间的强相互作用力它认为夸克之间的强相互作用力它认为夸克之间的强相互作用力 是由胶子传递的是由胶子传递的是由胶子传递的 并具有渐近自并具有渐近自并具有渐近自 由性由性由性 发现强相互作用的渐近自发现强相互作用的渐近自发现强相互作用的渐近自 由性是本年度获奖的原因由性是本年度获奖的原因由性是本年度获奖的原因 杨杨杨 1 密尔斯理论与强相互作密尔斯理论与强相互作密尔斯理论与强相互作 用的用的 用的 渐近自由渐近自由渐近自由 物理学中的每一个守恒定律物理学中的每一个守恒定律物理学中的每一个守恒定律 都对应一种不变性或对称性都对应一种不变性或对称性都对应一种不变性或对称性 例例例 如如如 能量守恒和动量守恒分别对能量守恒和动量守恒分别对能量守恒和动量守恒分别对 应于时间和空间平移对称性应于时间和空间平移对称性应于时间和空间平移对称性 而而而 电荷守恒对应于定域规范不变电荷守恒对应于定域规范不变电荷守恒对应于定域规范不变 性性性 一般地一般地一般地 把通过场量子传递相把通过场量子传递相把通过场量子传递相 互作用的场称为规范场互作用的场称为规范场互作用的场称为规范场 它所遵它所遵它所遵 循的不变性称为规范不变性循的不变性称为规范不变性循的不变性称为规范不变性 并并并 将其场量子称为规范粒子将其场量子称为规范粒子将其场量子称为规范粒子 电磁电磁电磁 场就是一种规范场场就是一种规范场场就是一种规范场 它遵循定域它遵循定域它遵循定域 规范不变性规范不变性规范不变性 它的规范粒子就是它的规范粒子就是它的规范粒子就是 光子光子光子 从对称性的观点讲从对称性的观点讲从对称性的观点讲 是是是 基于电荷守恒中的基于电荷守恒中的基于电荷守恒中的 A B C 规范对规范对规范对 称性称性称性 或阿贝尔规范对称性或阿贝尔规范对称性或阿贝尔规范对称性 的规的规的规 范理论范理论范理论 DE 年杨振宁和密尔斯年杨振宁和密尔斯年杨振宁和密尔斯 提出了一个基于同位旋守恒中的提出了一个基于同位旋守恒中的提出了一个基于同位旋守恒中的 FA B C 规范对称性规范对称性规范对称性 或非阿贝尔或非阿贝尔或非阿贝尔 规范对称性规范对称性规范对称性 的规范理论的规范理论的规范理论 杨杨杨 1 密尔斯规范场理论密尔斯规范场理论密尔斯规范场理论 这是一个这是一个这是一个 十分优美的理论十分优美的理论十分优美的理论 因为对称性确因为对称性确因为对称性确 定了相互作用的形式定了相互作用的形式定了相互作用的形式 在杨在杨在杨 1 密尔斯理论的基础密尔斯理论的基础密尔斯理论的基础 上上上 D 年格拉肖提出了电弱统年格拉肖提出了电弱统年格拉肖提出了电弱统 一理论模型一理论模型一理论模型 定域的定域的定域的 FA B C G A B C 规范理论规范理论规范理论 但是未能解决传但是未能解决传但是未能解决传 递弱相互作用的规范场量子递弱相互作用的规范场量子递弱相互作用的规范场量子 或 或或 矢量玻色子矢量玻色子矢量玻色子 的质量问题和理论的质量问题和理论的质量问题和理论 的重整化问题的重整化问题的重整化问题 此后此后此后 经过众多物经过众多物经过众多物 理学家的努力理学家的努力理学家的努力 通过引入希格斯通过引入希格斯通过引入希格斯 机制成功地解决了规范场量子的机制成功地解决了规范场量子的机制成功地解决了规范场量子的 质量问题质量问题质量问题 DH 年年年 特特特 霍夫特霍夫特霍夫特 等人证明了关于电弱相互作用的等人证明了关于电弱相互作用的等人证明了关于电弱相互作用的 图图 图 三代轻子和夸克以及三代轻子和夸克以及三代轻子和夸克以及 种力的传递子种力的传递子种力的传递子 这这这 种粒子均已被发现种粒子均已被发现种粒子均已被发现 非阿贝尔规范场理论是可重整化非阿贝尔规范场理论是可重整化非阿贝尔规范场理论是可重整化 的的的 强相互作用是一个比电弱相强相互作用是一个比电弱相强相互作用是一个比电弱相 互作用更难处理的问题互作用更难处理的问题互作用更难处理的问题 构建一构建一构建一 个如汤川理论那样的可重整的强个如汤川理论那样的可重整的强个如汤川理论那样的可重整的强 相互作用理论并不困难相互作用理论并不困难相互作用理论并不困难 但是由但是由但是由 于相互作用很强于相互作用很强于相互作用很强 微扰理论变得微扰理论变得微扰理论变得 毫无用处毫无用处毫无用处 因此人们无法用这些因此人们无法用这些因此人们无法用这些 理论做任何现实的计算理论做任何现实的计算理论做任何现实的计算 实验方面实验方面实验方面 世纪世纪世纪 年代年代年代 末期在美国斯坦福直线加速器上末期在美国斯坦福直线加速器上末期在美国斯坦福直线加速器上 所做的电子所做的电子所做的电子 质子深度非弹性散质子深度非弹性散质子深度非弹性散 射实验率先证实了夸克的存在射实验率先证实了夸克的存在射实验率先证实了夸克的存在 当时国际高能物理界就对这些当时国际高能物理界就对这些当时国际高能物理界就对这些 看似彼此之间没有相互作用的看似彼此之间没有相互作用的看似彼此之间没有相互作用的 自由粒子自由粒子自由粒子 大为不解大为不解大为不解 因为一般而因为一般而因为一般而 言言言 粒子彼此越接近粒子彼此越接近粒子彼此越接近 相互作用应相互作用应相互作用应 该越强该越强该越强 如果夸克真是自由粒子如果夸克真是自由粒子如果夸克真是自由粒子 为何一直不能分离出一个自由的为何一直不能分离出一个自由的为何一直不能分离出一个自由的 夸克来呢夸克来呢夸克来呢 理论方面理论方面理论方面 早在早在早在 年代人年代人年代人 们就注意到大动量行为与重整化们就注意到大动量行为与重整化们就注意到大动量行为与重整化 性质之间的关系性质之间的关系性质之间的关系 世纪世纪世纪 年代年代年代 初通过重整化群方程初通过重整化群方程初通过重整化群方程 揭示出大动揭示出大动揭示出大动 量渐近行为的某种普适特性量渐近行为的某种普适特性量渐近行为的某种普适特性 并在并在并在 此基础上引入了此基础上引入了此基础上引入了 跑动跑动跑动 耦合常数耦合常数耦合常数 的概念的概念的概念 即耦合常数之值随能量的即耦合常数之值随能量的即耦合常数之值随能量的 变化变化变化 跑动跑动跑动 例如例如例如 的耦合常的耦合常的耦合常 数数数 在低能在低能在低能 即小动量转移即小动量转移即小动量转移 情况情况情况 下约为下约为下约为 而当能量达到而当能量达到而当能量达到 01 01 2 3 电子伏特电子伏特电子伏特 时时时 之值提高到之值提高到之值提高到 4 由于耦由于耦由于耦 合常数的合常数的合常数的 跑动跑动跑动 效应效应效应 才有可能建才有可能建才有可能建 立大统一理论立大统一理论立大统一理论 年代初人们已经知道年代初人们已经知道年代初人们已经知道 任何可重整化的量子场论的耦合任何可重整化的量子场论的耦合任何可重整化的量子场论的耦合 常数都具有这种常数都具有这种常数都具有这种 跑动跑动跑动 效应效应效应 其其其 标度行为由标度行为由标度行为由 函数支配函数支配函数支配 它可它可它可 以用微扰论的方法计算以用微扰论的方法计算以用微扰论的方法计算 如果如果如果 函数之值为正函数之值为正函数之值为正 则耦合常数则耦合常数则耦合常数 随能量的增加而增加随能量的增加而增加随能量的增加而增加 如果如果如果 函数之值为负函数之值为负函数之值为负 则耦合常数随能则耦合常数随能则耦合常数随能 量的增加而减小量的增加而减小量的增加而减小 对对对 等可重等可重等可重 整化的量子场论的计算表明整化的量子场论的计算表明整化的量子场论的计算表明 函数之值皆为正函数之值皆为正函数之值皆为正 年秋至年秋至年秋至 年春年春年春 普普普 林斯顿大学的年轻教授格罗斯和林斯顿大学的年轻教授格罗斯和林斯顿大学的年轻教授格罗斯和 他的研究生维尔切克以及哈佛大他的研究生维尔切克以及哈佛大他的研究生维尔切克以及哈佛大 学的研究生波利策学的研究生波利策学的研究生波利策 分别计算了分别计算了分别计算了 基于杨基于杨基于杨 密尔斯理论的关于强相密尔斯理论的关于强相密尔斯理论的关于强相 互作用的互作用的互作用的 56 规范场论的规范场论的规范场论的 函数函数函数 结果发现在单圈图近似下结果发现在单圈图近似下结果发现在单圈图近似下 如果夸克的种类不超过如果夸克的种类不超过如果夸克的种类不超过 种种 种 在 在在 标准模型中只有标准模型中只有标准模型中只有 种夸克种夸克种夸克 函数之值为负函数之值为负函数之值为负 这是一个十分重这是一个十分重这是一个十分重 要的结论要的结论要的结论 它表明夸克具有它表明夸克具有它表明夸克具有 渐近渐近渐近 自由自由自由 的特征的特征的特征 即即即 当夸克越靠近当夸克越靠近当夸克越靠近 渐近渐近渐近 彼此间的相互作用就越彼此间的相互作用就越彼此间的相互作用就越 弱弱弱 最终变成完全无相互作用最终变成完全无相互作用最终变成完全无相互作用 自 自自 由由 由 反之反之反之 当夸克彼此越远离当夸克彼此越远离当夸克彼此越远离 相相相 互作用就越强互作用就越强互作用就越强 并会永远绑在一并会永远绑在一并会永远绑在一 起起起 不能成为自由粒子不能成为自由粒子不能成为自由粒子 这种现象这种现象这种现象 称为称为称为 夸克禁闭夸克禁闭夸克禁闭 格罗斯等三人格罗斯等三人格罗斯等三人 的计算结果证实了该理论足以解的计算结果证实了该理论足以解的计算结果证实了该理论足以解 释斯坦福加速器的夸克实验释斯坦福加速器的夸克实验释斯坦福加速器的夸克实验 夸克之间相互作用的渐近自夸克之间相互作用的渐近自夸克之间相互作用的渐近自 由性由性由性 对强相互作用理论加上了对强相互作用理论加上了对强相互作用理论加上了 严格的限制严格的限制严格的限制 它排除了它排除了它排除了 7 以外以外以外 的所有其他强相互作用模型的所有其他强相互作用模型的所有其他强相互作用模型 夸夸夸 克克 克 渐近自由渐近自由渐近自由 的物理原因在于胶的物理原因在于胶的物理原因在于胶 子子 子 色 色 色 的反屏蔽效应超过了夸克的反屏蔽效应超过了夸克的反屏蔽效应超过了夸克 的屏蔽效应的屏蔽效应的屏蔽效应 将将将 与与与 7 进进进 行比较行比较行比较 读者就会理解这一点读者就会理解这一点读者就会理解这一点 电磁场的麦克斯韦方程的量电磁场的麦克斯韦方程的量电磁场的麦克斯韦方程的量 子化就是子化就是子化就是 它是研究电子和它是研究电子和它是研究电子和 光子相互作用的光子相互作用的光子相互作用的 用群论的语言用群论的语言用群论的语言 讲讲讲 电磁场是电磁场是电磁场是 6 规范场规范场规范场 是一是一是一 种阿贝尔规范场种阿贝尔规范场种阿贝尔规范场 群元之间可以群元之间可以群元之间可以 交换交换交换 7 是研究夸克和胶子相是研究夸克和胶子相是研究夸克和胶子相 互作用的理论互作用的理论互作用的理论 与电磁场相对应与电磁场相对应与电磁场相对应 的胶子场是的胶子场是的胶子场是 56 8 9 规范场规范场规范场 是一是一是一 种非阿贝尔规范场种非阿贝尔规范场种非阿贝尔规范场 群元之间不群元之间不群元之间不 可以交换可以交换可以交换 中有电荷中有电荷中有电荷 且只且只且只 有一种有一种有一种 与此相对应与此相对应与此相对应 7 中有中有中有 色 色 色 荷 荷荷 共有三种共有三种共有三种 红 红红 绿绿绿 蓝蓝 蓝 胶胶胶 子是子是子是 色 色 色 场的量子场的量子场的量子 就象光子是就象光子是就象光子是 电磁场的量子一样电磁场的量子一样电磁场的量子一样 胶子和光子胶子和光子胶子和光子 都是质量为都是质量为都是质量为 自旋为自旋为自旋为 传递相传递相传递相 互作用的媒介粒子互作用的媒介粒子互作用的媒介粒子 都属于规范都属于规范都属于规范 粒子粒子粒子 6 8 9 群的生成元只有一群的生成元只有一群的生成元只有一 个个个 就是就是就是 所以光子只有所以光子只有所以光子只有 种种种 而而而 56 8 9 群有群有群有 4 个生成元个生成元个生成元 一个一个一个 生成元对应生成元对应生成元对应 种胶子种胶子种胶子 所以胶子所以胶子所以胶子 共有共有共有 4 种种种 光子不带电荷光子不带电荷光子不带电荷 而胶子而胶子而胶子 场是非阿贝尔规范场场是非阿贝尔规范场场是非阿贝尔规范场 场方程具场方程具场方程具 有非线性项有非线性项有非线性项 体现了胶子的自相体现了胶子的自相体现了胶子的自相 互作用互作用互作用 因此胶子也带因此胶子也带因此胶子也带 色 色 色 荷 荷荷 夸夸夸 克发射带克发射带克发射带 色 色 色 的胶子的胶子的胶子 自身改变自身改变自身改变 颜色颜色颜色 所以胶子场比电磁场要复所以胶子场比电磁场要复所以胶子场比电磁场要复 杂的多杂的多杂的多 它具有许多不同寻常的它具有许多不同寻常的它具有许多不同寻常的 现象和性质现象和性质现象和性质 其中最重要的就是其中最重要的就是其中最重要的就是 渐近自由渐近自由渐近自由 和 和 和 夸克禁闭夸克禁闭夸克禁闭 渐近自由渐近自由渐近自由 是由于真空的反是由于真空的反是由于真空的反 色 色 色 屏蔽效应引起的屏蔽效应引起的屏蔽效应引起的 真空中的夸真空中的夸真空中的夸 克会使真空极化克会使真空极化克会使真空极化 即它使真空带上即它使真空带上即它使真空带上 颜色颜色颜色 夸克与周围真空的相互作用夸克与周围真空的相互作用夸克与周围真空的相互作用 聚焦 导致由真空极化产生的虚胶子和导致由真空极化产生的虚胶子和导致由真空极化产生的虚胶子和 正反虚夸克的极化分布正反虚夸克的极化分布正反虚夸克的极化分布 最终效果最终效果最终效果 使夸克使夸克使夸克 色 色 色 荷变大荷变大荷变大 这称为这称为这称为 色 色 色 的 的的 反屏蔽效应反屏蔽效应反屏蔽效应 对于电荷对于电荷对于电荷 情况刚好情况刚好情况刚好 相反相反相反 由于真空极化导致电荷吸引由于真空极化导致电荷吸引由于真空极化导致电荷吸引 反号电荷的虚粒子反号电荷的虚粒子反号电荷的虚粒子 所以总电荷减所以总电荷减所以总电荷减 少少少 这称为电的屏蔽效应这称为电的屏蔽效应这称为电的屏蔽效应 由于这由于这由于这 一效应一效应一效应 在离夸克较小距离上看来在离夸克较小距离上看来在离夸克较小距离上看来 大距离的夸克比它带的大距离的夸克比它带的大距离的夸克比它带的 色 色 色 荷要荷要荷要 多多多 所以小距离上强相互作用相对所以小距离上强相互作用相对所以小距离上强相互作用相对 变弱了变弱了变弱了 这就是这就是这就是 渐近自由渐近自由渐近自由 它使得它使得它使得 应用微扰论的方法计算高能状态应用微扰论的方法计算高能状态应用微扰论的方法计算高能状态 下的各种物理量成为可能下的各种物理量成为可能下的各种物理量成为可能 这就给这就给这就给 了人们一个验证强相互作用理论了人们一个验证强相互作用理论了人们一个验证强相互作用理论 正确性的机会正确性的机会正确性的机会 但是在低能或大距但是在低能或大距但是在低能或大距 离情形离情形离情形 由于耦合常数变强及存在由于耦合常数变强及存在由于耦合常数变强及存在 囚禁力囚禁力囚禁力 使计算变得十分困难使计算变得十分困难使计算变得十分困难 夸克和胶子的实验证据及最夸克和胶子的实验证据及最夸克和胶子的实验证据及最 新进展新进展新进展 认为夸克之间的强相认为夸克之间的强相认为夸克之间的强相 互作用力是由胶子传递的互作用力是由胶子传递的互作用力是由胶子传递的 夸克夸克夸克 周围环绕着胶子云周围环绕着胶子云周围环绕着胶子云 因此人们无因此人们无因此人们无 法观测到自由夸克法观测到自由夸克法观测到自由夸克 但是但是但是 在实验在实验在实验 上可以观测到上可以观测到上可以观测到 夸克对夸克对夸克对 的产生的产生的产生 例如例如例如 在高能碰撞实验中在高能碰撞实验中在高能碰撞实验中 一对夸一对夸一对夸 克可以从质子或中子中被撞击出克可以从质子或中子中被撞击出克可以从质子或中子中被撞击出 来来来 每一个松动的夸克将产生一每一个松动的夸克将产生一每一个松动的夸克将产生一 个喷注个喷注个喷注 在对撞区出现两个背靠在对撞区出现两个背靠在对撞区出现两个背靠 背的喷注背的喷注背的喷注 喷注就是夸克的轨迹喷注就是夸克的轨迹喷注就是夸克的轨迹 它是可以用肉眼看到的它是可以用肉眼看到的它是可以用肉眼看到的 与夸克的情形相同与夸克的情形相同与夸克的情形相同 人们无人们无人们无 法观测到自由胶子法观测到自由胶子法观测到自由胶子 然而然而然而 胶子会胶子会胶子会 立即衰变为许多介子立即衰变为许多介子立即衰变为许多介子 形成第三形成第三形成第三 道喷注道喷注道喷注 换言之换言之换言之 如果胶子存在如果胶子存在如果胶子存在 那么在高能正负电子对撞的实验那么在高能正负电子对撞的实验那么在高能正负电子对撞的实验 中就会出现中就会出现中就会出现 三喷注三喷注三喷注 现象现象现象 如果如果如果 胶子不存在胶子不存在胶子不存在 则只有上述则只有上述则只有上述 二喷二喷二喷 注注 注 现象现象现象 年年年 丁肇中领导的丁肇中领导的丁肇中领导的 研究小组在实验中发现了研究小组在实验中发现了研究小组在实验中发现了 三喷三喷三喷 注注 注 现象现象现象 证明了胶子的存在证明了胶子的存在证明了胶子的存在 为为为 提供了实验证据提供了实验证据提供了实验证据 最近最近最近 在强相互作用物理领在强相互作用物理领在强相互作用物理领 域有两项重要进展域有两项重要进展域有两项重要进展 一是找到了一是找到了一是找到了 夸克夸克夸克 胶子等离子体胶子等离子体胶子等离子体 存 存存 在的新证据在的新证据在的新证据 二是发现了二是发现了二是发现了 五夸五夸五夸 克克 克 基本粒子基本粒子基本粒子 夸克夸克夸克 胶子等离子体胶子等离子体胶子等离子体 现现现 有物理学理论认为有物理学理论认为有物理学理论认为 宇宙诞生后宇宙诞生后宇宙诞生后 的百万分之几秒内的百万分之几秒内的百万分之几秒内 宇宙中曾存宇宙中曾存宇宙中曾存 在过一种被称为在过一种被称为在过一种被称为 的物质的物质的物质 在在在 中中中 夸克和胶子以自由状态夸克和胶子以自由状态夸克和胶子以自由状态 存在存在存在 它们随宇宙的冷却结合形它们随宇宙的冷却结合形它们随宇宙的冷却结合形 成质子和中子等亚原子粒子成质子和中子等亚原子粒子成质子和中子等亚原子粒子 后后后 者又形成原子核者又形成原子核者又形成原子核 最终产生原子最终产生原子最终产生原子 以及今天的宇宙万物以及今天的宇宙万物以及今天的宇宙万物 年年年 月月月 美国布鲁克海文国家实验室美国布鲁克海文国家实验室美国布鲁克海文国家实验室 的科学家宣布找到了的科学家宣布找到了的科学家宣布找到了 物质物质物质 存在的新证据存在的新证据存在的新证据 在宇宙现有物质中在宇宙现有物质中在宇宙现有物质中 夸克被夸克被夸克被 束缚在中子和质子内束缚在中子和质子内束缚在中子和质子内 无法独立无法独立无法独立 存在存在存在 一些理论假设一些理论假设一些理论假设 足够大的能足够大的能足够大的能 量和温度能够量和温度能够量和温度能够 融解融解融解 质子和中质子和中质子和中 子子子 释放出夸克和胶子释放出夸克和胶子释放出夸克和胶子 并使其形并使其形并使其形 成成成 年年年 欧洲核子研究欧洲核子研究欧洲核子研究 中心的科学家曾宣布中心的科学家曾宣布中心的科学家曾宣布 通过使铅通过使铅通过使铅 离子互相撞击而再造了离子互相撞击而再造了离子互相撞击而再造了 但但但 这一结果并没获得有力的验证这一结果并没获得有力的验证这一结果并没获得有力的验证 美国科学家采取让金原子核互相美国科学家采取让金原子核互相美国科学家采取让金原子核互相 碰撞的办法碰撞的办法碰撞的办法 试图获得试图获得试图获得 实验实验实验 中中中 科学家观测到了科学家观测到了科学家观测到了 喷注抑制喷注抑制喷注抑制 现象现象现象 通常通常通常 原子核的碰撞会导致原子核的碰撞会导致原子核的碰撞会导致 一对夸克从质子或中子的束缚中一对夸克从质子或中子的束缚中一对夸克从质子或中子的束缚中 挣脱挣脱挣脱 形成两条由普通粒子组成形成两条由普通粒子组成形成两条由普通粒子组成 的喷注的喷注的喷注 根据根据根据 喷注抑制喷注抑制喷注抑制 理论的理论的理论的 假设假设假设 如果在金原子核的碰撞过如果在金原子核的碰撞过如果在金原子核的碰撞过 程中产生程中产生程中产生 那么它会对其中那么它会对其中那么它会对其中 一条喷注形成抑制一条喷注形成抑制一条喷注形成抑制 科学家在金原子核碰撞中只科学家在金原子核碰撞中只科学家在金原子核碰撞中只 观测到一条喷注观测到一条喷注观测到一条喷注 另外一条失踪另外一条失踪另外一条失踪 了了了 一般认为一般认为一般认为 仅凭这一点不足以仅凭这一点不足以仅凭这一点不足以 说明碰撞确实产生了说明碰撞确实产生了说明碰撞确实产生了 也许也许也许 还有其他目前未知的物理学机制还有其他目前未知的物理学机制还有其他目前未知的物理学机制 使碰撞只产生一条喷注使碰撞只产生一条喷注使碰撞只产生一条喷注 为此为此为此 科科科 学家于学家于学家于 年初又进行了一项年初又进行了一项年初又进行了一项 新实验新实验新实验 让氘原子核与金原子核让氘原子核与金原子核让氘原子核与金原子核 碰撞碰撞碰撞 理论上这一碰撞不会形成理论上这一碰撞不会形成理论上这一碰撞不会形成 因此碰撞如果产生两条喷因此碰撞如果产生两条喷因此碰撞如果产生两条喷 注注注 那就表明在早先的金原子核那就表明在早先的金原子核那就表明在早先的金原子核 碰撞中也产生了两条喷注碰撞中也产生了两条喷注碰撞中也产生了两条喷注 只是只是只是 其中一条被其中一条被其中一条被 抑制了抑制了抑制了 实验结实验结实验结 果显示果显示果显示 在氘原子核与金原子核在氘原子核与金原子核在氘原子核与金原子核 碰撞过程中确实产生了两条喷碰撞过程中确实产生了两条喷碰撞过程中确实产生了两条喷 注注注 新的实验结果提供了比较令新的实验结果提供了比较令新的实验结果提供了比较令 人信服的证据人信服的证据人信服的证据 证明早先的金原证明早先的金原证明早先的金原 子核碰撞中确实产生了子核碰撞中确实产生了子核碰撞中确实产生了 五夸克五夸克五夸克 基本粒子基本粒子基本粒子 年年年 月月月 三个国