一口气搞懂强相互作用
路平2019-08-13 15:24
话说在自然界中，存在着四种作用力，分别是引力、强相互作用、弱相互作用，电磁相互作用。
引力其实我们都很熟悉，它可以使地球绕着太阳转。
而电磁相互作用也很常见，最直观的就是磁铁的磁力。实际上，电磁力远比我们现象中的要广泛，我们能看到东西是因为电磁力，摩擦力其实也是电磁力，支持力同样还是电磁力。应该这么说，日常我们所接触的，除了引力，剩下的都是电磁力。
而平时我们很少接触的，实际上也和我们息息相关的，就是强相互作用和弱相互作用，它们存在于原子核及以下的世界，这也是为什么我们很少能够接触到它们的原因。
弱相互作用一般来说和衰变有关，常见的衰变就是一个中子发生衰变转化为一个质子、一个电子并放一些能量。这也被我们叫做β衰变，就是通过弱相互作用实现的。
关于引力之前我们已经聊过了，电磁力和弱力我们之后再聊，这一期，我们先来聊一聊着四种作用中最强的强相互作用。
夸克
上个世纪，科学家通过对撞机一层一层剥开微观世界，直到他们开始轰击质子。科学家发现，质子是轰击不开的，但是轰击质子的过程中，会出现三个广角散射。这说明，质子内部应该存在这三个点状物。
我们后来就管这个叫做夸克。
科学家一共发现了6种夸克，分别是上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、奇异夸克、粲夸克，
在微观世界里，每种基本粒子都有自己自身固有的性质，就好像一个成年人的身高体重和性别一样。粒子的三种内禀属性分别是：质量、电荷和自旋。这里的自旋和地球自转是不同的。它具体指的叫做角动量，实际上角动量并不能连续变化。只能取0、1/2、1、3/2等值。这就好比人就只有男和女两种性别可以选，不能有30%男，70%女这种说法。夸克的自旋量值是1/2。
至于电荷量，不同的夸克的电荷量是不同的，上夸克、粲夸克和顶夸克是+2/3，下夸克、奇异夸克和底夸克是-1/3。
至于质量，根据爱因斯坦的质能等价E=mc^2，我们用“能量/c^2”来表述粒子的质量。6种夸克的质量如下表，这里的MeV其实就是能量单位。
以上其实是一般的基本粒子具备的三种特征，而夸克其实还有一种特别的属性，叫做色荷。和自旋不指代具体的旋转，色荷其实也不代表色彩，只是为了识别，所用到的颜色分别是：红、绿、蓝。
由于六种夸克也被称为六味，并且每一味都有对应的反粒子，所以，如果简单概括夸克，就是：六味、三色、反粒成对。
你看，关于夸克的理论一套一套的，但实际上，我们压根没有见过自由的夸克。无论加速器如何去做对撞实验都没办法获得。因此，有很多人吐槽粒子物理标准模型的相关理论叫做唯象理论。
其实这或多或少带有贬义，但客观地说，根本不存在不是唯象理论的理论。毕竟，观测水平高低决定了能看到什么现象，这些太过哲学的探讨，其实已经偏离了科学研究的主体，所以，就不多聊了。
面对这样的局面，科学家也很无奈，他们管这个叫做夸克禁闭。说的就是夸克被关在了一个区域内的现象。
那这究竟是咋回事呢？
这其实和强相互作用有关，科学家一直试图解释这种现象。后来，他们找到了1954年由杨振宁和米尔斯发表的杨米尔斯理论。
这套理论实际上是杨振宁和米尔斯从麦克斯韦方程中获得的灵感，从对称性入手进行考虑，得出了杨米尔斯理论。而恰恰这个理论，可以解释为什么会存在“夸克禁闭”的现象。我们可以从熟悉引力说起，我们都知道，引力和距离的平方是成反比的。
两个物体之间的距离越大，引力就越小。由5位科学家通过对杨米尔斯理论进行推导就发现，杨米尔斯理论在解释强相互作用的机制时，可以得出一个和“引力”完全相反的结果，那就是随着距离的增大，强相互作用反而会增大。后来，这5位科学家都拿到了诺贝尔奖。
对于这种现象，其实物理学家格罗斯曾经提出这样的比喻：
强子（质子或者中子）内部的夸克，就好像小球之间拴了一条有弹性的高强度绳子，当小球靠得很近时，绳子是不受力的，小球可以自由移动，可是当小球之间的距离超过了绳子的长度，绳子就会拉住小球，你即使费再大的劲，也没办法把它拽得更远。
这里的绳子其实就是胶子，它是用来传递强相互作用的。
强相互作用的这种特点，也就导致了夸克只能被关在一定的区域内，说白了就是胶子把夸克束缚起来的。
另一种强相互作用
不过，这其实只是胶子传递的强相互作用只是强相互作用的其中一种，除了这种，还存在另外一种强相互作用，它是作用于原子核内部核子之间的，依靠的是介子来实现传递的。
这种强相互作用要比束缚夸克的强相互作用要小得多，而且还有一点不同，那就是这种强相互作用是随着距离的增大而快速减小的。
因此，强相互作用有两种，一种是把夸克束缚在一起的，一种是把核子束缚在一起的。它们的作用范围要小于10^-15米。
至于夸克的质量问题以及物质的质量是咋来的，之前我们已经详细聊过了，想知道的可以戳链接：寻找万物的本源：质量从何而来？
关于强相互作用力，我们就说到这里。
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