胶子与胶球为什么如此重要

近日，北京正负电子对撞机获得重大成果。其实验装置北京谱仪Ⅲ合作组首次测得X(2370)粒子的量子态性质，其质量、产生和衰变性质都与人们长久以来寻找的胶球特性一致。

粒子物理学充满了各种矛盾的东西，其中一些称为胶子的粒子表现得尤其奇怪。根据定义，胶子是所谓强相互作用的量子载体，它结合质子和中子内部的夸克。也许在这一点上，我们需要谈谈现代量子物理学如何构想基本粒子的相互作用。

在量子场论中，任何粒子的相互作用都被描述为这些粒子与其他粒子交换的结果。例如考虑两个粒子之间的电磁相互作用，具有相同电荷的电子相互排斥，量子场理论将这种排斥解释为电子交换光子的结果。

这种现象可以用经典力学中的一个简单类比，想象两个人静止漂浮在空间中并来回传一个球。当第一个人扔出球时，根据动量守恒定律他要向后移动。当第二个人接住球时，他吸收传递给他的动量也会开始向后移动。当第二个人继续扔球时，上述分析的情况继续发生。随着一次次的扔球接球，如果我们从不可见球的远处观察，就会觉得两个人好像受到某种排斥力一样，尽管实际上他们只是来回传递球。

电子之间的斥力以非常相似的方式工作，只是他们传递的是光子而不是球。不过，这样的类比我们很难想象，光子的交换是如何导致带相反电荷的粒子之间的吸引力。因此，量子物理学中的类比应该谨慎对待。

回到量子场论，负责介导相互作用的粒子被称为规范玻色子。涉及夸克的强相互作用的载体是胶子。夸克是已知的最小的物质组成部分，正是由于夸克之间的这种相互作用驱动的吸引力，才能形成质子和中子。

介导电磁相互作用的光子本身并不参与这种相互作用，因为光子的电荷为零。但是对于胶子来说，情况要复杂一些，它们参与夸克和夸克之间的强相互作用，并且这种相互作用正是通过其他胶子的交换而发生的。这里的情况是非常诡异的，当一个夸克向另一个夸克发射一个胶子时，该胶子立即与每个夸克相互作用并产生额外的胶子，而这些胶子还会与两个夸克、初始胶子彼此相互作用，从而产生新的胶子。就这样，胶子反过来会产生更多的胶子，胶子数量呈现爆炸性增长。

但事实上，它会受到一些限制。单个胶子在被其他粒子吸收之前，仅存在大约10^-23秒。胶子诞生和吸收的过程大约发生在相同的时间，因此胶子数量在任何给定时刻都大致保持恒定。顺便说一句，人们常说质子或中子由三个夸克组成，但实际上这并不完全准确，每个这样的粒子内部都存在大量的夸克和反夸克，自发地从真空中产生并在几分之一秒后相互湮灭。

我们可以通过一定的能量从原子中移除一个电子：如果你试图从原子核中移走电子，它们的相互作用能就会减弱；如果电子移动得足够远，相互作用能就会变得如此弱，以至于可以忽略。但夸克是完全不同的，因为胶子可以无序地繁殖，产生新的胶子，直到它们被夸克吸收。夸克移得越远，胶子的寿命就越长，在此过程中产生的胶子就越多。因此，当移走夸克时，胶子的总数和能量会增加，从而导致强相互作用强度的增大。

当我们试图移走一个夸克时，我们所施加的能量足以产生新的夸克。所以，夸克不会单独存在，它仅会存在于某些夸克胶子组合中，这被称为夸克禁闭。但是，如果向质子或中子传递非常高的能量，我们仍然可以将其分解，导致其组成的夸克向不同方向散射。能量立即转移到复合粒子，凝结成一片额外的胶子、夸克和反夸克的海洋，即所谓的夸克胶子等离子体。

这种状态极其不稳定，会在很短的时间内塌缩回质子或中子的状态，而且强大的能量场可以产生其他粒子，这是在像大型强子对撞机这样的加速器中寻找新粒子背后的原理。

现在最有趣的是，理论上胶子可以凝结成稳定的结构，除了胶子本身之外什么都没有。我们谈论的是胶球，其中胶子的诞生和吸收过程是平衡的，或更准确地说，累积的胶子能量保持恒定。如果我们对其进行优化，使其增加或减少它们所包含的胶子数量，那么这会增加每个胶球的能量。

增加系统总能量的过程通常不会自然发生，因此正确构造的胶球无法合并成一个更大的胶球，同样也无法将较大的胶球分解成较小的胶球。就尺寸而言，它们半径的量级可与质子或中子相媲美。与光子类似，尽管单个胶子不具有质量，但当团结在胶球中时，它们确实携带能量，这种能量会表现为外部质量。

根据计算，由许多无质量胶子组成的胶球应该是大质量的，比质子重几倍甚至几十倍，可以产生影响其他物体的引力场。无论是单个胶子，还是它们形成的胶球，都没有电荷，这意味着它们不参与电磁相互作用，因此不与包括可见光在内的电磁波相互作用。另外，胶球也不参与弱相互作用。

本质上，引力是胶球与周围世界之间相互作用的唯一手段。需要注意的是，引力是所有基本相互作用中最弱的，在微观世界的规模上微不足道，因此常常被忽视。从粒子物理学的角度来看，胶球是极端内向的，对外部事件几乎不感兴趣，并且表现得几乎像完美的隐形人，因为它们几乎从不显现自己。这正是物理学家对胶球高度感兴趣的原因。