什么是强力？量子色动力学这样回答

在1920年代，物理学家越来越清楚地认识到，原子是由带负电荷的电子和带正电荷的原子核组成的。这个模型虽然简单易懂，但却留下了一个大问题：如果同种电荷互相排斥，那么原子核中的质子为什么能紧密地堆积在一起？显然，必须要有某种极强的力量才能克服这种排斥力。

1964年，默里·盖尔曼提出，如果介子和其它传递强力相互作用的粒子由更小的基本粒子组成，则这个危机可以被化解。盖尔曼以一本爱尔兰小说中的术语来命名这些基本粒子：夸克。在他的理论模型中存在着三种类型的夸克：上夸克、下夸克和奇夸克。上夸克携带的电荷为2/3，下夸克和奇夸克携带的电荷为-1/3，它们的自旋都为1/2。

夸克模型提出，介子由夸克-反夸克对构成。由于物质和反物质会相互湮灭，所以介子不可能存活太长时间。夸克也可以三个为一组形成重子，例如质子和中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，刚好携带一个正电荷；中子由一个上夸克和两个下夸克组成，不携带电荷。

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但是，三夸克的想法也有问题，它们之中至少有两个具有相同的量子特性。根据泡利不相容原理，两个具有相同量子特性的费米子不能同时存在于相同的位置。1964年，美国物理学家沃利·格林伯格提出，夸克还具有“颜色”这个额外的属性。这是一种电荷的隐喻，一种颜色电荷。如果是这样的话，它们会有不同的色电荷，因此它们不会违反泡利不相容原理。

有红、绿、蓝三种颜色的电荷，与我们所看到的颜色类似，为了获得中性电荷，必须结合三种色电荷，就像当你结合可见的红、绿和蓝，就可以得到一个中性的白色一样。在量子色动力学中，颜色必须是守恒的，也就是说，所有的颜色必须组合在一起才能得到一个中性的白色。这意味着任何含有色荷的粒子必须与其他粒子结合才能形成中性色。

这种粒子被称为胶子，因为它的作用就像胶水把夸克粘在一起。这些胶子是如何工作的？类似于量子电动力学处理电荷和作为电磁力的中介粒子光子，量子色动力学处理的是色电荷和被称为胶子的中介粒子。

当你试图拉开两个夸克时，强力就像是一个强大的弹簧，当你把它们分开得越远，消耗的能量也就越多，这往往会把夸克拉回核子内部。这些胶子-胶子之间的相互作用将色场限制在称为“通量管”的弦状物体上，在被拉伸时就会施加恒定的力。但是，如果有足够大的力来拉夸克，通量管就会断裂，夸克就会被拉开。

但是拉开夸克所消耗的能量会导致一个令人惊讶的结果。在夸克从核子中拔出的那一瞬间，一个新的夸克就在原来的地方形成了。而这个刚被拔出的夸克，又会与新生成的反夸克组成介子。根据可用的能量大小，可以产生越来越多的介子。正是这些介子，介导了将质子和其它质子或中子结合起来的强力残余。简单来说，介子会引起核子之间的吸引力。

强力最重要的一个方面是，几乎所有原子的质量都来自于量子色动力学，而不是希格斯场。我们以质子为例，质子由两个上夸克和一个下夸克组成。希格斯场负责给夸克提供静止质量，这种情况下两个上夸克和一个下夸克总质量是9.1MeV。但测得的质子质量为983MeV，所以它的重量是它的组成粒子的100倍，这些额外的质量从何而来？

要记住，夸克和胶子在一个很小的范围内快速移动，在这么小的体积中保持这么多的能量需要大量的结合能。正是结合能和动能的联合，构成了原子质量的98%。