最小的粒子卻有全宇宙最大的力!膠子是如何把夸克聯繫在一起的?強相互作用力和量子色動力學丨黑洞战争13丨AC茂的模

大型強子對撞機
人類歷史上最昂貴的實驗儀器
大型對撞機
這兩個詞不用解釋也很容易理解
但強子是個啥玩意兒
強子
我比你玩的早點
但強子名聲
我老虎也略知一二
通常來說
強子指的是受到強相互作用力影響的亞原子粒子
比如介子
核子
以及膠子
得嘞
爲了解釋一個詞
又搞出三個詞來
不着急
我們一個一個解釋
先說介子
所有介子都有着同樣的結構
一個跨克和一個反跨克
中間由一根粘性很強的力線相連接
一個介子可以像彈簧一樣震盪
像攪拌棒一樣繞軸旋轉
或者以各種方式彎曲摺疊
核子就比較簡單了
也就是我們熟悉的質子和中子
它們都是由三個跨克組成的
每個跨克都連着一條力線
這三條力線在中心結合
它們也可以旋轉和震盪
快速的旋轉和震盪給力線增加了能量
拉長了它也增加了質量
此外還存在着另一種強子
一種無跨克粒子
強子物理學稱它們爲膠子球
跨克似乎不是由更小的粒子構成的
它們像電子一樣
因爲太小
所以無法檢測到其尺寸
但是結合跨克的力線卻是由其他物體組成的
而且這些物體不是跨克
這些黏乎乎的組成力線的粒子就是膠子
膠子極其微小
但是它們似乎有兩個端點
一正一負
看起來就像是些小磁鐵
關於跨克和膠子的物理理論
被稱爲量子色動力學
簡稱QCD
一個聽起來更像是某種彩色小電影的東西
而似乎與基本粒子沒什麼關係
在統一之路系列中
我簡單介紹過這個理論中的一些概念
那麼這期就稍微進階一些
聊聊它更具體的內容
根據QCD的數學規則
一個膠子自己不能單獨存在
數學上要求其正負兩個端點都與其他膠子或者跨克相連接
每一個正端點必須與另一個膠子的負端點或者跨克相連
每一個負端點則必須跟另一個膠子的正端點或者反跨克相連
最後三個正的或者負的端點可以結合在一起
根據這些規則
核子 介子和膠子球可以被輕易的組合起來
那麼如果介子中的跨克受到一個很強的力
它將會發生什麼呢
跨克將開始迅速的遠離反跨克
如果它與一個原子內部的電子相類似
那麼它將會飛離出去並且逃逸掉
但是這裏發生的卻完全不同
當它與它的另一半開始分離時
膠子間會形成一條縫
就像一根橡皮筋被拉斷時它裏面分子的狀況
然而膠子們會自我複製
製造出更多膠子來填充這條裂縫以避免斷裂
跨克和反跨克之間形成的力線通過這種方式阻止了跨克的逃逸
最後這個跨克將耗盡能量轉而朝向反跨克運動
核子內部的高速跨克也會發生同樣的事情
跨克似乎與電子一樣小
一樣基本
它們不能旋轉
不能被壓縮
也不能形變
儘管它們看起來沒有什麼內部結構
但是它們有一個複雜性的自由度
這看起來似乎有些矛盾
跨克有很多種類型
它們帶有不同的電荷和質量
是什麼導致了這些差異仍然是一個謎
這個決定差異的內部機制實在太小
以至於無法觀測
所以我們把已發現的六種不同的跨克都歸爲基本粒子
至少目前是這樣
在二戰之前
物理學還是以歐洲爲中心
物理學家用希臘語來命名粒子
光子
電子
介子
重子
氫子
以及我們的主角強子的名字都是來源於希臘文
但是後來沒那麼有文化的美國人取得主導地位
命名這件事情就變得越來越草率了
跨克是來自後現代文學奠基人之一詹姆斯·喬伊斯的長篇小說
芬尼根的《守靈夜》中一個沒有意義的單詞
而跨克的味兒則是一個用來描述不同跨克類型之間區別的不恰當詞語
還好這一命名沒有延展成香草跨克
巧克力跨克
草莓跨克
雖然聽上去很好吃
跨克的六種味兒是上 下 參 齊 頂 底
頂和底曾經一度被認爲是不雅的
所以有段時間
它們一度被改成了真跨克和美跨克
不得不佩服這些人的想象力
我就怎麼也想不明白頂和底到底有啥色情的
除了用味兒來區分跨克以外
還有另一個分類方式
它對於量子色動力學非常重要
每個跨克被分爲三種顏色
紅色 綠色和藍色
這也正是量子色動力學中色字的來源
這又是一個草率的
並且非常有誤導性的命名方式
要是再把色和味兒結合
搞出什麼紅色巧克力跨克
綠色雞排跨克
藍色毛血旺跨克
就更離譜了
實際上跨克太小
當然不能反射光線
所以更不可能有顏色或味道
物理學家們只需要搞一個概念出來
給這些東西分類
與味兒一樣
我們也不知道跨克色的來源
但是色在QCD中扮演的角色
卻重要的多
根據QCD
膠子沒有味兒
但是它們的色比跨克更復雜
現在已知有八種類型的膠子
每一種膠子都有一個正極和負極
而且每一極都有三種色中的一種
爲什麼存在三種色
這個問題目前還沒有答案
我們離全面瞭解基本粒子還差得很遠
但是從它們結合形成盒子和介子的方式
我們知道跨克有三種
且僅有三種顏色
粒子物理的標準模型極爲繁雜
但是跨克就有六種味兒
三種顏色
許多任意設定數值的常數
這個模型顯然不是簡單優雅的東西
也不像是什麼終極的理論
那爲什麼要做這個呢
這是因爲之前那些簡潔優美的理論
無法擬合實驗數據
而這個極其混亂的理論
卻是目前對大自然現象解釋的最好答卷
許多粒子物理學家和普通人有着相同的困惑
他們也很難相信
無窮小的點粒子可以有那麼多的特性和那麼多的結構
一定有很多更基本的機制支配着這些所謂的基本粒子
但他們和普通人的區別在於
他們並不只是吐槽一句
這麼複雜的東西肯定不是真理
然後放棄思考
而是在還沒有發現任何更簡潔的理論能夠描述世界之前
繼續在這片痛苦的泥沼中前行
隨着各種物理科普書籍
視頻的日益增多
夸克開始被公衆熟知
但大多數人對和夸克同等重要
甚至更加重要的膠子卻仍然很陌生
這些黏乎乎的東西能帶給我們什麼呢
這就要用到量子場論中的兩個要素
傳播子和角點了
先說傳播子
它的世界線表示一個粒子從時空的一點到另一點的運動
因爲膠子有兩個極
每一極都有一種色
所以物理學家們通常用雙線來表示世界線
要表示某一具體類型的膠子
我們可以在每條線的邊上寫上顏色
再說角點
角點最重要的是它表示了單個膠子一分爲二的性質
模式相當簡單
當一個具有兩個端點的膠子分裂時
必定會出現兩個新的端點
根據QCD的數學規則
新端點必定具有相同的顏色
比如在左圖中
一個藍紅膠子可以分裂成爲藍藍和藍紅膠子
而右圖中一個藍紅膠子可以分裂成爲藍綠和綠紅膠子
角點也可以被翻轉過來
顯示兩個膠子是如何結合成爲一個膠子的
膠子有着強烈的傾向
想要聯合在一起並形成長鏈
正端點連接負端點
紅接紅
藍接藍
以及綠接綠
這些鏈就是結合夸克的力線
在量子引力的研究中
這種有彈性的力線的想法又一次出現了
不過不同的是
一切都變小了20個數量級
這些假想中的V型快速能量極高的力線
被弦理論家們稱爲弦
他們認爲強子的三種類型
和子
介子和膠子球都是類弦的物體
可以用弦論的數學描述
他們把由膠子構成的連接強子的力線稱爲QCD弦
但實際上這是一個很容易讓人產生混淆的說法
如果僅從長度上看
弦論中的基本弦和這種QCD弦的差異
比你的耳機線和318國道的長度比還要懸殊
這就不是我們今天要討論的問題了
經過這兩期量子場論的戰備補充
下期我們就可以回到引力的問題上了
最近兩期的內容看起來和黑洞的關聯不大
但都是在爲黑洞戰爭的最終決戰做戰備工作
量子派和相對論派的軍備競賽已近乎瘋狂
大戰一觸即發