量子色动力学：夸克和胶子的复杂行为

众所周知，原子由被电子包围的质子和中子组成。这些带负电荷的电子被带正电荷的质子吸引，同时电子之间也彼此产生排斥。但幸运的是，电子分散得足够开，排斥力不会过多地干扰吸引力，因此它们能围绕在原子核附近运动。另一方面，质子紧密地挤在原子核中，它们之间的电磁排斥力绝对是巨大的。那么原子核是如何保持在一起的呢？

现在这个问题的答案也是众所皆知的：强力。但是，如果强力如此强大，为什么它仅限于原子核？这些问题的答案在于夸克和胶子通过量子色动力学规则的复杂行为。

我们在1940年代开启了第一个粒子对撞机，并开始探测到一个名副其实的粒子动物园。当物理学家试图理解粒子动物园时，他们观察到了某些特殊的关系。盖尔曼等人意识到，这些粒子在粒子碰撞中产生的方式表明存在一个新的守恒量，他们将其命名为奇异数。

盖尔曼和尤瓦勒·內埃曼注意到，如果你根据粒子的奇异数和电荷数排列粒子，它们会形成几何图案，比如有八个粒子的六边形和十个粒子的三角形。不久之后，人们意识到粒子动物园的粒子不是基本的，它们仍然是由更小的粒子组成的，而那些粒子是就夸克。事实证明，这些形状上的位置代表了粒子的夸克含量：奇异数只是代表存在多少奇异夸克。顺便说一句，这些多重夸克的粒子现在被称为强子。

将强子描述为夸克群解释了这种图案形式，但它也引入了一个全新的问题。对于费米子这一类粒子，不能有两个相同的粒子占据相同的量子态，这种限制被称为泡利不相容原理。

结果是，在一个原子中没有两个电子可以占据相同的能级。好吧，稍微修正一下：电子轨道可以包含两个电子，但那是因为这些电子可以具有不同的自旋状态。那么这如何适用于夸克？让我们看看欧米茄重子，它由三个奇异夸克组成。现在，必须有一些不同的东西才能让他们遵守泡利不相容原理。它不可能是自旋的，因为有3个粒子并且只有两种可能的自旋状态。唯一的解决方案是必须有一些其他属性使它们不同，并且该属性必须具有三个不同的可能值。