1.質子和中子不是點粒子。
探索物質結構是科學的重要任務。自從人類出現以來，這種探索從未停止過。19世紀，人們逐漸明白物質是由分子原子構成的。1932年查德威克發現了中子，人們認識到質子核應該是由質子和中子組成的。人們對物質結構的研究就像剝竹筍，每壹層的發現都是對物質結構認識的深化。質子和中子在核級以下還有內部結構嗎？
質子和中子不是點粒子，它們都有內部結構。20世紀30年代，理論物理學家認為質子和中子作為核子是基本粒子，應該像點粒子壹樣。根據狄拉克的相對論波動方程，質子的磁矩是單位核子，中子的磁矩為零，因為它們不帶電。但出乎意料的是，實驗主義者斯特恩測得的質子磁矩是5.6單位核子，中子磁矩不是零，而是-3.82單位核子，這與點粒子理論相悖。這些都清楚地表明，質子和中子並不像我們想象的那麽簡單，它們可能有內部結構。20世紀60年代，霍夫施塔特等人用高能電子轟擊原子核，證明了原子核電荷是分散的，原子核確實有內部結構[1]。既然原子核不是點粒子，那麽它內部的物質是如何分布的呢？可能有三種情況:或者核內有硬核，核如桃；或者顆粒多，像石榴，種子多；或者沒有顆粒，松散如棉絮。在這種情況下，它取決於深度非彈性散射實驗，以作出進壹步的決定。
深度非彈性散射實驗是指質子或中子與極高能量的電子發生碰撞，將後者激發到離散的能級，即共振態，甚至激發到電離π介子的連續激發態。非彈性散射實驗會改變質子和中子的靜止質量。實驗表明，質子和中子內部存在點狀的準自由粒子，攜帶壹定的動量和角動量。那麽質子和中子中的這些點狀粒子是什麽呢？它的屬性是什麽？
第二，誇克模型
1964年，美國科學家蓋爾曼(見右上)提出了壹個關於強子結構的誇克模型。強子是粒子分類體系的壹個概念，質子和中子都屬於強子。“誇克”壹詞最初指的是德國奶酪或海鷗的聲音。當蓋爾曼第壹次提出這個模型的時候，他沒想到會得到物理學家的認可，所以用了這個幽默的詞。誇克也是費米子，自旋為1/2。因為質子中子的自旋是1/2，如果兩個自旋向上，壹個自旋向下，三個誇克可以形成自旋為1/2的質子和中子。正反兩種誇克可以殺死錘勺孕牧w櫻淺浦？小櫻？交錢蓋章？丁肇中等人在1974年發現的J/ψ，實際上是由粲誇克和反粲誇克組成的誇克對。所有由三個誇克組成的粒子都稱為重子，重子和介子合稱為強子，因都參與強相互作用而得名。原子核內質子間的電斥力很強，但由於束縛核子的強相互作用力(核力)，原子核仍能穩定存在。根據誇克模型，誇克具有分數電荷，每個誇克的電荷為+2/3e或-1/3e (e為質子電荷單位)。根據現代粒子物理學，有六種誇克(味)，稱為上誇克、下誇克、奇誇克、粲誇克、頂誇克和底誇克，它們組成了所有的強子。例如，壹個質子由兩個上誇克和壹個下誇克組成，壹個中子由兩個下誇克和壹個上誇克組成，上誇克帶+2/3e電荷，下誇克帶-。上下誇克的質量略有不同。中子的質量略大於質子的質量。過去人們認為這可能是由中子和質子的不同電荷引起的。現在看來，這是由於下誇克的質量略大於上誇克的質量。
質子和中子的組成:壹個質子由兩個上誇克和壹個下誇克組成，壹個中子由兩個下誇克和壹個上誇克組成。
雖然當時誇克模型取得了很多成功，但也遇到了壹些麻煩。比如重子的誇克結構理論，認為像ω-和δ++這樣的重子可以由三個相同的誇克組成，它們都處於基態，自旋方向相同。這種同壹能級有三個相同粒子的現象違反了泡利不相容原理。泡利不相容原理說兩個費米子不能處於同壹態。誇克的自旋是半整數，是費米子。當然不能違背泡利原理。但是物理學家有他們自己的方法。不是說三個誇克都壹樣嗎？然後我給它們壹個數字或者壹個“顏色”(紅黃藍)，三個誇克就不壹樣了，再也不會違反泡利原理了。的確，在1964中，格林伯格引入了誇克的這種自由度——“色”的概念。當然，這裏的“顏色”不是視覺感知的顏色，它是壹個新引入的自由度的代名詞，類似於電子的電荷，誇克有顏色電荷。這樣每個誇克就有了三種顏色，誇克的種類壹下子從原來的六種擴大到了18種。加上它們的反粒子，自然界共有36種誇克，分別與輕子(如電子、μ子、τ離子及其對應的中微子)、規範粒子(如光子、三種弱相互作用的中間玻色子轉移並控制誇克和輕子的衰變、八種強轉移(。誇克具有色自由度的理論得到了很多實驗的支持，並在20世紀70年代發展成為壹個重要的強相互作用理論——量子色動力學。
三、量子色動力學及其特征
“量子色動力學”這個名字聽起來有點嚇人，聽起來也有點別扭。應該這樣讀:量子/顏色/動力學。根據這個理論，誇克是帶色的，膠子場是誇克之間相互作用的媒介。這不禁提醒我們，電子是帶電的，傳遞電子之間相互作用的介質是電磁場(光子場)。事實上，我們在電荷動力學方面有很長的歷史，它被稱為“量子電動力學”，是在20世紀30年代和40年代發展起來的。普通讀者對電磁相互作用比較熟悉，那麽就以它為例來了解質子和中子中的顏色相互作用。麥克斯韋電磁場方程的量子化就是量子電動力學。具體來說，量子電動力學研究的是電子和光子之間的量子碰撞(即散射)。自然，量子色動力學研究的是誇克和膠子之間的量子碰撞。
膠子是色場的量子，就像光子是電磁場的量子壹樣。膠子和光子都是質量、孕態和輸運相互作用為零的介質粒子，都屬於規範粒子。兩個電子之間的相互作用是通過傳遞壹個虛光子發生的(虛光子只是在相互作用中間產生的，其能量和動量不成正比，所以不能獨立存在，產生後會瞬間湮滅。根據相對論，自由運動的電子不能發射真實光子，但可以發射虛光子。是真正的光子給了我們光和熱能。它的能量與動量成正比，離開源後可以獨立存在。自然，兩個誇克之間的相互作用是通過轉移壹個虛膠子發生的。虛膠子將壹個誇克的部分能量和動量攜帶給另壹個誇克，因此兩個誇克通過膠子相互作用。看到這裏，我們會說，我們不是重復了嗎？量子色動力學可以根據葫蘆畫瓢用量子電動力學來建立。太簡單了！但其實沒那麽簡單。按照群論的語言，電磁場是U(1)規範場，是阿貝爾規範場，群元素可以互換，而膠子場是SU(3)規範場，是非阿貝爾規範場，群元素不能互換。壹般來說，“不”比“不”麻煩多了。只有壹種電荷，卻有三種顏色的電荷(紅、黃、藍)；U(1)群只有壹個生成子，是1，所以只有壹個光子，而SU(3)群有八個生成子，壹個生成子對應壹個膠子，所以有八個膠子。光子沒有電荷，但是膠子場是非阿貝爾規範場，場方程有壹個非線性項，反映了膠子的自相互作用，所以膠子也有色電荷，誇克發出有色膠子，自己改變顏色。所以膠子場比電磁場更復雜，所以有很多不尋常的現象和性質，其中最重要的大概是“漸近自由”[2-3]和“誇克禁閉”[4-6]。
“漸近自由”是指當兩個誇克之間的距離很小時，耦合常數也會變得很小，以至於誇克可以被視為近乎自由。耦合常數的降低是由真空的反色屏蔽效應引起的。真空中的誇克會使真空極化(即會給真空帶來顏色)，誇克與周圍真空的相互作用會導致真空極化產生的虛膠子和正負虛誇克的極化分布，最終的效應會使誇克的顏色電荷變大，這就是所謂的顏色的反屏蔽效應(對於電荷來說，相反，總電荷會減少，因為真空極化會導致電荷吸引符號相反的虛粒子，這就是電的屏蔽效應)。與之相比，顏色的反屏蔽作用壹詞由此而來)。由於這種效應，在離誇克很小的距離上，大距離上的誇克比它有更多的色荷，所以小距離上的強相互作用相對較弱，這就是所謂的“漸近自由”。漸近自由是量子色動力學的壹個重要成果，它使得高能色動力學可以用微擾理論來計算。然而，在低能或長距離的情況下，由於強耦合常數和約束力，計算變得困難。
量子色動力學可以預言小距離的“漸近自由”，但不能預言大距離的“誇克禁閉”，這是量子色動力學的難點。
“誇克禁閉”是指誇克無法逃離質子。紅、黃、藍誇克形成無色狀態，強子無色。壹旦誇克可以逃離質子或強離子，自然界就會出現有色粒子；有色粒子使真空進壹步極化，有色電荷之間的約束勢很大，整個真空被高能著色，導致真空爆炸。事實上，這些都沒有發生，這表明自然界中不存在自由誇克。那麽我們會問:誇克實際上是壹種數學技能還是壹種物理實在？研究這個問題是對誇克模型的壹個檢驗。但是，現在有了誇克的間接證據，物理學家認為誇克應該確實存在。物理學家提出了幾個關於誇克為什麽被限制的理論。有人提出口袋模型，比如質子是被真空擠壓的口袋，可以束縛誇克，不能逃逸[7-9]；有人提出弦理論，認為誇克被綁在壹根弦的兩端，但這根弦很難被拉斷。即使斷裂，斷裂處也會產生壹對正負誇克，原來的強子會斷裂成兩個新的強子，自由誇克永遠不會出現[10]。也有人說，既然膠子帶色電，那麽膠子之間就會有色磁引力，使色力線收緊並平行，就像壹個帶電電容器的兩塊板因為平行的電力線而相互吸引壹樣，所以誇克也有類似的引力；格點規範理論的面積律證明了誇克之間存在線性禁閉勢[11]；90年代中期，塞伯坦和威滕利用他們發展的四維空間量子場論證明了磁單極凝聚也可以導致誇克禁閉[11]。關於誇克禁閉的理論很多，恰恰說明我們對強度的理解還不夠。
四、核結構圖像和核衰變
對介子譜的研究表明，除了單膠子交換引起的色庫侖力外，誇克之間還存在色禁閉力，其勢隨距離線性增加。如上所述，盡管線性禁閉勢的來源尚不清楚，但可以認為正是這種勢導致了誇克禁閉。但這種觀點可能會受到挑戰。因為用相對論波動方程求解介子能譜，發現波函數在無窮遠處不收斂到零，而是壹個散射解。這意味著我們應該探測自由誇克，但事實並非如此。那麽這些散射解是如何產生的呢？原來禁閉勢在無窮遠處是如此之大，以至於擾動真空導致了正負誇克的產生。實際上，這些誇克並沒有被探測到。壹個原因可能是在很遠的距離上誇克的質量會變得非常大，遠遠超過線性勢，抑制了真空擾動產生正負誇克的能力。誇克質量會隨著距離的增加而增加，這可以用真空色偏振(導致真空帶中的顏色)來解釋。真空色極化使色電荷像滾雪球壹樣越來越大，誇克的能量和質量也越來越大。浸在真空中的單個誇克是巨大的，真空沒有足夠的能量產生這些誇克，最終可能導致誇克禁閉。
對於強子結構，用不同的理論模型來描述不同的能態。基態的質子和中子可以用量子力學的薛定諤方程求解，強子的質量主要由誇克承擔；對於激發態的共振粒子，弦模型是成功的，認為重子和介子的質量和自旋主要由弦(色力管)提供[10]；對於能量較高的強子激發態，由於真空色極化很強，強子的質量主要是色極化質量，誇克和弦的質量很小。目前，不同能態的質子和中子的結構還不能用壹個統壹的理論來描述。
上面討論了質子中子的靜態性質及其共振態。我們來說說他們的腐朽。原子核內質子中子穩定，自由中子不穩定，壽命約為11分鐘。中子的質量略大於質子，因此它們可以有足夠的能量衰變為質子，並釋放出壹個電子和壹個電子型中微子。在誇克層次上解釋這個過程，實際上是壹個中子中的壹個較低的誇克(電荷為-1/3e)釋放出壹個中間玻色子W-，它傳遞弱相互作用，它變成壹個較高的誇克(電荷為+2/3e)，W-衰變為壹個電子和壹個電子型中微子。因為質子中子的重子數為+1，輕子數為0，電子中微子的重子數為0，輕子數分別為+1和-1，所以在這個過程中重子數和輕子數是守恒的。目前的粒子物理標準模型(量子電動力學，弱電統壹理論[12]，量子色動力學)認為，重子數是守恒的，質子是最輕的重子，所以不能衰變為其他重子，是永恒的。因為人們遇到的物質世界主要由重子構成，所以很容易相信質子是永恒的。然而，有壹種理論預測這個概念是錯誤的。質子會衰變為正電子和中性π介子，重子數和輕子數不是絕對守恒的。這個理論是大統壹理論[13-17]，試圖統壹強、弱、電相互作用，用壹個耦合常數來描述。大統壹理論包含了標準模型，但比標準模型大，所以傳遞相互作用的規範玻色子更多。雖然這些規範玻色子是壹種具有超弱場的量子，但質子中的下誇克釋放規範玻色子，成為正電子，而質子中的壹個上誇克吸收規範玻色子，成為上誇克的反粒子(反上誇克)，與質子中的另壹個上誇克結合，形成中性π介子。因為引起這種誇克-輕子轉變的場很弱，質子雖然會衰變，但是衰變壽命很長，大概100萬億年，而我們宇宙的壽命只有幾百億年，所以質子的平均壽命比宇宙長10萬億倍。在妳的壹生中，妳體內的質子只能衰變十分之幾，所以不用擔心質子衰變會給我們的生活帶來不便。質子衰變只是理論預測，實驗證明並沒有完全結束[16]。
如前所述，質子中的點粒子是誇克。事實上，它們還包括膠子和不斷產生和湮滅的海誇克。過去認為質子自旋是1/2，由三個誇克提供，但今天的研究無法支持這種觀點。質子中三個誇克的總角動量只占質子自旋的15%，大部分自旋可能由膠子和海誇克承擔。這被稱為“質子自旋危機”，是壹個熱門話題。
動詞 （verb的縮寫）簡要
雖然在1995發現了膠子和頂誇克的證據，但是強子結構的研究和自由誇克的探索仍然需要走很長的路。誇克禁閉的根本原因是線性禁閉勢的存在還是色偏振，誇克禁閉是暫時的還是永久的，都值得進壹步研究。如果誇克被永久禁閉，強子將永遠是無色的，正如壹句諺語所說:“色空，空即是色。”孰是孰非，需要高能物理及其理論的不斷發展。