科普詳細解讀：基本相互作用,、核力、色荷,、漸進自由與夸克禁閉

kanglanlan 2019-08-15

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基本相互作用（Fundamental Interaction）,，為物質(zhì)間最基本的相互作用，有四種,，常被稱為——宇宙基本力或是自然界四力,。而迄今為止，觀察到的所有關于物質(zhì)的物理現(xiàn)象,，在物理學中都可借助這四種基本相互作用的機制——得到描述和解釋,。

本文將會詳細介紹和解讀，這四種基本作用力的概念,、形成和原理,，以及與之相關的發(fā)生在原子核內(nèi)部的物理作用和現(xiàn)象——如夸克禁閉與漸進自由。

主題目錄如下：

基本相互作用力的形成
規(guī)范和希格斯-玻色子的性質(zhì)
色荷,、核力,、漸近自由與夸克禁閉

基本相互作用力的形成

目前已知的基本作用力有四種——強力、弱力,、電磁力,、引力。這些力是由不同的規(guī)范玻色子——膠子,、W和Z玻色子,、光子、引力子——來傳遞的,，其方式是發(fā)射和吸收（交換）規(guī)范玻色子,，其中：

強力，也稱核力或強核力,，是使核子結(jié)合成原子核的力,，由膠子（自旋為1，有8種）傳遞,。
弱力,，也稱弱核力,，是粒子衰變過程中的力，會影響所有的費米子,，由W和Z玻色子（自旋為1,，有3種）傳遞。
電磁力,，是帶電粒子在電磁場中產(chǎn)生的力,，由光子（自旋為1，有1種）傳遞,。
引力,，也稱重力子，是具有質(zhì)量的物體之間的力,，由引力子（自旋為2,，有1種，未證實）傳遞,。

在微觀尺度上,，強力是最強的相互作用，其次是電磁力,，然后是弱力,，最弱的就是引力——弱到幾乎可以忽略不計。具體來看,，強力是電磁力的10^3倍,，是弱力的10^13倍，是引力的10^39倍,。

強力——維系著原子核的穩(wěn)定,，這是構成底層物質(zhì)結(jié)構的基礎，過程是夸克之間通過交換膠子產(chǎn)生的強相互作用而結(jié)合在一起,，形成穩(wěn)定的復合粒子,，即核子——構成原子核的粒子，如質(zhì)子,、中子,。

弱力——則是復合粒子（如核子）自發(fā)衰變的原因，即放射性表現(xiàn),。在衰變過程中,，復合粒子會通過交換（即發(fā)射和吸收）W和Z玻色子（W+帶正電荷，W-帶負電荷,，Z0無電荷），從而衰變成其它粒子,。

例如,，中子的三個夸克是——“上下下”,，質(zhì)子的三個夸克是“上上下”。自由的中子是不穩(wěn)定的,，它會在負β衰變中通過弱相互作用——其中一個下夸克,，發(fā)射W-玻色子，成為上夸克,，即夸克味變——衰變?yōu)?strong>質(zhì)子,，接著W-玻色子迅速衰變成，一個電子（β粒子）和一個反中微子,。

而這個中子衰變是可逆的過程,，在一定條件下，質(zhì)子會在正β衰變中通過弱相互作用——其中一個上夸克,，吸收能量,，發(fā)射W+玻色子，成為下夸克——衰變?yōu)?strong>中子,，接著W+玻色子迅速衰變成,，一個正電子和一個中微子。

以上兩個衰變過程簡述為：

負β衰變是——下夸克 = 上夸克 + 電子 + 反中微子
正β衰變是——上夸克 + 能量 = 下夸克 + 正電子 + 中微子

β衰變——原子核自發(fā)地放射出β粒子或俘獲一個軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變,。其中,，放出電子的衰變過程稱為β-負衰變，放出正電子的衰變過程稱為β+正衰變,。

由此可見,，中子和質(zhì)子可以看作是同一種粒子（核子）的兩個不同的量子狀態(tài)，它們之間的相互轉(zhuǎn)變,，相當于核子從一個量子態(tài)躍遷到另一個量子態(tài),，在躍遷過程中放出了電子和中微子。而引起β衰變的,，正是電子與中微子場,，同原子核的弱相互作用，即弱力,。

那么,，弱力之所以稱為“弱”，是因為弱力發(fā)生的概率,，要比強力和電磁力小幾個數(shù)量級,。也就是說，交換W和Z玻色子的發(fā)生概率,，要遠遠小于交換膠子和光子的概率,。而W和Z玻色子中的W是Weak（弱）的意思，Z是Zero（Z0電荷）的意思。

至于,，電磁力——是帶電粒子在電磁場中,，交換（即發(fā)射和吸收）光子所產(chǎn)生的力。在量子電動力學中,，電磁場被認為是量子化的光子場,，正反帶電粒子對可以湮沒而轉(zhuǎn)化為光子，同樣正反帶電粒子,，也可以在電磁場中產(chǎn)生,。

最后，引力——目前看來,，是一種宏觀力,，在微觀忽略不計。而引力子,，就是一種假想的規(guī)范玻色子（自旋2）,，就像其它規(guī)范玻色子一樣，在微觀可以通過交換（即發(fā)射和吸收）引力子來產(chǎn)生引力——就像其它三種力（強,、弱,、電）一樣。

顯然的是,，宏觀上引力與質(zhì)量關系密切——成正比,，而在微觀，粒子質(zhì)量都極小,，所以微觀粒子所表現(xiàn)出的引力,，都小到忽略不計了。

但如果引力,，是來自于引力子的作用,，那引力場的吸引力，就不在需要（廣相的）時空彎曲來解釋,，而是可以理解為,，引力子和光子之間的互相作用（不是基本力），只不過目前引力子并沒有被證實存在,。

而假想出引力子,，就是因為量子論在各方面都非常成功，完美解釋了其它三種力及其作用機制,，自然人們就希望量子論可以解釋引力——從而可以完美解釋自然界的所有四種力（強,、弱、電,、引）,。于是就引出了——量子引力理論和引力子,，但這種理論的數(shù)學運算十分復雜且無法自洽。

規(guī)范和希格斯-玻色子的性質(zhì)

光子,、引力子——都沒有質(zhì)量,，所以它們的速度都是光速,。又因為,，光子在電磁場中傳遞，引力子在引力場中傳遞,，所以電磁場和引力場的傳播速度,，都是光速。同時,，沒有質(zhì)量意味著,，它們的傳遞沒有阻力（慣性力），傳遞距離可以是無限遠,，所以電磁力和引力,，都是長程力。

膠子——也沒有質(zhì)量,，在膠子場中傳遞,，有一種叫做色荷屬性。我們知道具有色荷的夸克,，會因為交換（即發(fā)射和吸收）膠子,，而產(chǎn)生強力被束縛在一起。所以具有色荷的膠子之間,，也會交換（即發(fā)射和吸收）膠子,，并產(chǎn)生強力。

事實上,，因為膠子沒有質(zhì)量,，所以理論上它應該是光速，并且其潛在的傳遞距離也是無限遠,。但色荷屬性,，束縛了它的傳遞距離與速度，也就是說,，膠子無法抵達光速,，并且傳遞距離也有限，所以強力是一種短程力,。

W和Z玻色子——具有很大的質(zhì)量（W-80.39 GeV,，Z-91.19 GeV，是質(zhì)子質(zhì)量的100倍,，比鐵原子還要重）,，因此質(zhì)量帶來的阻力（慣性力）限制了它的傳遞距離,，所以弱力是短程力。

而電弱統(tǒng)一理論（Unified Electro-Weak Theory）,，統(tǒng)一了弱力與電磁力,，這意味著弱力與電磁力，是同一個互相作用的不同表現(xiàn)而已,。所以,，W和Z玻色子——既參與弱力，也參與電磁力,。

大統(tǒng)一理論認為——強相互作用,、弱相互作用和電磁相互作用，可以統(tǒng)一成一種相互作用,，而目前統(tǒng)一弱相互作用和電磁相互作用的電弱統(tǒng)一理論,，已經(jīng)獲得實驗證實。

希格斯粒子——具有很大的質(zhì)量（125.09GeV,，比W和Z玻色子還重）,，極不穩(wěn)定，生成后會立刻衰變（平均壽命為1.56×10^?22秒）,，并且只在希格斯場里發(fā)揮作用,，它的作用就是把質(zhì)量賦予，規(guī)范玻色子（W和Z玻色子）和費米子（夸克與輕子）,。

色荷,、核力、漸近自由與夸克禁閉

關于色荷

可以類比于電荷,，電荷只有一種類型有正負之分,，而色荷有三種類型，所以用三原色RGB來命名,，并且三原色可以混合出無色（也稱色中性）,，即色荷為0，就像電荷的電中性一樣,。

類比來看,，電子攜帶電荷，可以發(fā)射和吸收光子,，電子之間通過交換光子,，來傳遞電磁力；而夸克攜帶色荷,，可以發(fā)射和吸收膠子,，夸克之間通過交換膠子，來傳遞強力,。

不同的是,，光子本身不帶電荷,，所以光子之間就沒有相互作用（電磁力），而膠子本身帶色荷,，所以膠子之間有相互作用（強力）——這也可以看成是膠子場的自相互作用,。而夸克在交換（即發(fā)射和吸收）膠子的時候，還會改變自身的色荷,，即色荷的顏色,。

顯然，色荷性質(zhì)比電荷性質(zhì)要復雜的多,，而色荷還產(chǎn)生了——漸近自由與夸克禁閉,。

所謂漸近自由

就是說攜帶色荷的夸克之間，如果距離越近,，那么耦合常數(shù)就越小，即強力越小,，而當距離任意小時,，強力可以任意小，此時每個夸克幾乎處在了“自由”不受強力的狀態(tài),。

耦合常數(shù)（Coupling Constant）——是量子論中,，相互作用強度的一種度量。例如,，電荷就正比與電磁力的耦合強度,，而電磁力的耦合強度使用「精細結(jié)構常數(shù)」來表示。

那么夸克禁閉,，是說攜帶色荷的夸克無法單獨存在,，只能兩三個組合成復合粒子（即強子），使得色荷為0,。其原因就在于,，夸克之間的距離增加，膠子之間的強力也會增加,，最終使得多個夸克,，只能被束縛在一個狹小的空間內(nèi)——形成“禁閉”。

而如果強行分離“禁閉”中的夸克,，那么在這個過程中,，就需要提供足夠的能量，來對抗越來越大的強力,，直到這個能量足以從真空中激發(fā)出新的夸克的時候,，被分離的夸克就會與新夸克結(jié)合，形成新的粒子——繼續(xù)保持夸克禁閉,。所以,，夸克與膠子都無法獨立存在,。

綜上可見，漸近自由——揭示了夸克距離接近的情況,，而夸克禁閉——則揭示了夸克距離較遠的情況,。

那么，結(jié)合這兩種現(xiàn)象,，我們可以想象這樣的圖像：

夸克之間在傳遞交換膠子,，同時膠子之間也在發(fā)射和吸收膠子，這相當于膠子在夸克之間傳遞的過程中,，多個膠子之間在互相“強力牽拉”,。于是這就像是在夸克之間，構建了一條“彈性力線”,，如果夸克之間距離接近,，那么膠子數(shù)量減少，“彈性力線”就松軟,，即受力減小,，而如果夸克之間遠離，那么膠子數(shù)量增多,，“彈性力線”就緊繃,，即受力增大。