色動力學

一般讀者對電磁相互作用都有點熟悉，因此就以它為例來理解質子中子內的色相互作用。電磁場的麥克斯韋方程的量子化就是量子電動力學，具體地説，量子電動力學就是研究電子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量子色動力學是研究夸克和膠子的量子碰撞的。

膠子是色場的量子，就象光子是電磁場的量子一樣。膠子和光子都是質量為0、傳遞相互作用的媒介粒子，都屬於規範粒子。兩個電子發生相互作用是靠傳遞一個虛光子而發生的（虛光子只在相互作用中間過程產生，其能量和動量不成正比，不能獨立存在，在產生後瞬時就湮滅。由相對論知道，自由運動的電子不能發射實光子，但可以發射虛光子。給予我們光明和熱能的是實光子，它的能量和動量成正比，脱離源後，能獨立存在），自然，兩個夸克發生相互作用是靠傳遞一個虛膠子而發生的。虛膠子攜帶着一個夸克的部分能量和動量，交給另一個夸克，於是兩個夸克就以膠子為紐帶發生了相互作用。看到這裏，我們會説，不是重複了一下嗎？量子色動力學可以由量子電動力學依葫蘆畫瓢建立起來，真是太容易了！不過實際上沒有這麼簡單。

按羣論的語言講，電磁場是U(1)規範場，是一種阿貝爾規範場，羣元可以交換，而膠子場是SU(3)規範場，是一種非阿貝爾規範場，羣元不可以交換。一般來説，“非”總比“不非”要麻煩得多。電荷只有一種，而色荷卻有三種（紅、黃、藍）；U(1)羣的生成元只有一個，就是1，所以光子只有一種，而SU(3)羣有八個生成元，一個生成元對應一種膠子，所以膠子共有八種；光子不帶電荷，而膠子場由於是非阿貝爾規範場，場方程具有非線性項，體現了膠子的自相互作用，因而膠子也帶色荷，夸克發射帶色的膠子，自身改變顏色。所以膠子場比電磁場複雜，因而出現了許多不同尋常的現象和性質，其中最重要的恐怕要數“漸近自由”[2-3]和“夸克幽禁”[4-6]了。

“漸近自由”説的是兩個夸克之間距離很小時，耦合常數也會變得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常數變小是由於真空的反色屏蔽效應引起的。真空中的夸克會使真空極化（即它使真空帶上顏色），夸克與周圍真空的相互作用導致由真空極化產生的虛膠子和正反虛誇克的極化分佈，最終效果使夸克色荷變大，這稱為色的反屏蔽效應（對於電荷，剛好相反，由於真空極化導致電荷吸引反號電荷的虛粒子，所以總電荷減少，這稱為電的屏蔽效應。與它作比較，色的反屏蔽效應這一術語由此而來）。由於這一效應，在離夸克較小距離上看來，大距離的夸克比它帶的色荷多，所以小距離上強作用相對而言變弱了，這就是所謂“漸近自由”。漸近自由是量子色動力學的一項重要成果， 它使得高能色動力學可以用微擾理論計算。但是在低能情形或者説大距離情形，由於耦合常數變強及存在幽禁力，計算變得困難。

量子色動力學可以預言小距離的“漸近自由”，但是對大距離的“夸克幽禁”，量子色動力學就無法預言了，這是量子色動力學的困難。

“夸克幽禁”説的是夸克無法從質子中逃逸出去。紅綠藍三色夸克組成無色態，強子都是無色的。一旦夸克可以從質子或強子中跑出來，自然界就會存在帶色的粒子帶色的粒子引起真空的進一步極化，色荷之間的幽禁勢是很大的，整個真空都帶上了顏色，能量很高，導致真空爆炸。實際這些都沒有發生，暗示自然界不存在遊離的夸克，那麼我們會問：夸克倒底是一個數學技巧還是一個物理實在？研究這一問題，是對夸克模型的考驗。不過，因為已有了夸克存在的間接證據，物理學家相信夸克是應該的確存在的。夸克為什麼要被幽禁起來，物理學家已提出了幾個理論。有人提出口袋模型，如認為質子是一隻受真空擠壓的口袋，可將夸克束縛住而逃不出來[7-9]；有人提出了弦理論，認為夸克綁在弦的兩端，而這條弦卻難以斷裂，即使一旦斷裂，斷裂處生成一對正反夸克，原來的強子碎裂為兩個新的強子，從而自由的夸克從來不可能出現[10]；也有人説，既然膠子帶色荷，膠子之間也會有色磁吸引力，從而色力線被拉緊呈平行狀，就如一個帶電電容器兩板因為有平行的電力線因而彼此有吸引一樣,夸克之間也有類似這種吸引力；格點規範理論的面積定律證明夸克之間有線性禁閉勢存在[11]；90年代中期塞伯和威滕用他們發展的四維空間量子場論證明磁單極凝聚也會導致夸克幽禁[11]。關於夸克幽禁的理論有許多，正好説明了我們對強力的瞭解還不夠充分。