Page 266 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

子内禀空间之外，电磁场为零，所以氢原子对外不显电性。
所有原子都是电中性的，对外不显电性，也就是说原子外部的电磁场或虚光子场为零，
而原子内部的电磁场或虚光子场不为零。这种电中和效应实际上是阴、阳性虚光子叠加后转
+
－
变成虚微子的结果。如图 13-11 所示，正电荷 q 产生的阳性虚光子和负电荷 q 产生的阴性
虚光子共轭叠加后转变为虚微子，而虚微子的电磁场为零，由此可产生电中和效应。
阳性虚光子
正电荷
L12
叠 虚微子
E=Ei、B=Bi
加 L12
E=Ei、B=Bi
负电荷 电场 E=0、磁场 B=0
L12
阴性虚光子

图13-11 电中和效应

三、强力场与真空对称性破缺
强相互作用存在于强子之间和强子内部各夸克之间，产生的作用力在四种基本相互作用
中强度最大，所以称为强力。按照盖尔曼的强子夸克模型，所有强子都由夸克组成，目前发
现的有上夸克 u、下夸克 d、奇异夸克 s、粲夸克 c、底夸克 b、顶夸克 t 等 6“味”夸克及
其反夸克（详见表 2.2），夸克和反夸克带分数电荷（基本电量的±2/3 或±1/3），同时还带红、
绿、蓝三种“色荷”。几个夸克通过色荷之间的色相互作用结合成强子，例如，质子由两个
+
u 夸克和一个 d 夸克组成，中子由两个 d 夸克和一个 u 夸克组成，π 介子由一个 u 夸克和一
个反 d 夸克组成等等。这些构成强子的夸克称为价夸克。所谓强相互作用就是色相互作用，
可用规范场理论即量子色动力学（QCD）来描写。QCD 是仿照量子电动力学（QED）而建
立的。根据 QCD，带色荷的夸克不能自由存在，只有无色的、夸克的单色态组合可以自由
存在。例如，由带有红、绿、蓝三种色荷的三个夸克可以组成无色的重子；由单色和反单色
的夸克和反夸克也可以组成无色的介子。按照规范场论，在夸克之间传递色相互作用的规范
玻色子为“胶子”，它可以在夸克之间传递色荷。一共有 8 种胶子，它们的自旋为 1，静质
量为零，均以光速传播。每个胶子带一色荷和一反色荷，夸克发射或吸收一个胶子后，会改
变色态，譬如，红夸克发射红-反蓝胶子后变成蓝夸克，而吸收这个胶子的蓝夸克会变成红
夸克。由于胶子本身带有色荷，所以胶子本身就能直接放出和吸收胶子。有时胶子还可以转
化成一对正反夸克，如 uu 、 dd 、 ss 等等，这些夸克被称为海夸克。核子是由 3 个价夸克加
上胶子场及其派生出来的一些海夸克对组成的，介子则是由 2 个价夸克和胶子场及其派生出
来的海夸克对组成的。
后来的研究发现，量子色动力学中色荷的大小依赖于能量，随着能量的增加（或距离的
缩小），等效色荷会变小，当两个色荷无限接近（或以极高能量相互作用）时，等效色荷趋
于零，两者变得几乎没有相互作用，这就是色相互作用（或强相互作用）的“渐近自由”现
象。另外，与渐近自由相反的是，夸克相距越远则作用越强，以至于不能把单个夸克从强子
中分离出来，这被称为夸克禁闭。格罗斯（D.J.Gross）、波利策（H.D.Politzer）和维尔切克
（F.Wilczek）等三人因发现色相互作用的渐进自由而获得了 2004 年的诺贝尔物理学奖。
虽然 QCD 的物理图像、概念和理论，已成为物理学家在粒子物理和核物理发展前沿研
究、思考和工作的基础，但迄今为止，一切寻找自由夸克的努力均未获得成功，分数电荷意
味着什么也还不清楚。而且，从 1987 年开始在 CERN 和 SLAC（斯坦福直线加速器中心）
进行的实验，用极高能的极化μ子和电子在极化质子上散射，发现三个价夸克 uud 只提供质

262