轻微脑震荡算轻伤吗:关于质子和中子的层状结构的理论 ,越详尽越好
质子、中子里有些什么
一、 质子、中子不是点状粒子
对于物质结构的探索是科学的重要任务,自从有人类出现, 这种探索从来没有停止过。在19 世纪,人们逐渐弄清楚物质是 由分子原子构成的。1932年查德威克发现了中子,人们认识到原 子核应由质子和中子构成。人们对物质结构的研究就如剥笋一样 层层盘剥下去,每一个层次的发现,都是对物质结构认识的深化。 在原子核层次下面,质子和中子是否还有其内部结构呢?
质子和中子不是点粒子,它们都具有内部结构。在30年代, 理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基本粒子,应该象点 粒子,根据狄拉克的相对论性波动方程,质子的磁矩是一个单位 核磁子,中子由于不带电,因而磁矩是零。但出乎意料的是,实 验家斯特恩测得的质子磁矩却为5.6个单位核磁子,中子磁矩也不 是零,而是-3.82个单位核磁子,与点粒子理论相悖。这些都清楚地 说明质子、中子并不是我们想象的那样简单,它们可能是具有内 部结构的。60年代,霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子,证明 核子电荷呈弥散分布,核子的确具有内部结构[1]。既然核子并 不是点粒子,那么其内部的物质是怎样分布的呢?也许有三种情 形:或者核子内有一个硬核,核子象一枚桃子;或有许多颗粒, 象石榴一样有许多子;或没有颗粒,疏松如棉絮状。具体属哪一 种情形,要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定。
深度非弹性散射实验指用极高能电子去撞击质子或中子,使 后者激发到一个个分立的能级即共振态,甚至达到使π介子离化 出来的连续激发态。非弹性散射实验会改变质子、中子的静止质 量。实验表明,质子、中子内部有一个个点状的准自由的粒子, 它们携带有一定动量和角动量。那么质子、中子内的这些点状粒 子是什么呢?具有些什么性质?
二、 夸克模型
1964年,美国科学家盖尔曼(见右上图)提出了关于强子结 构的夸克模型。强子是粒子分类系统的一个概念,质子、中子都 属于强子这一类。“夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。 盖尔曼当初提出这个模型时,并不企求能被物理学家承认,因而 它就用了这个幽默的词 。夸克也是一种费米子,即有自旋1/2 。 因为质子中子的自旋为1/2,那么三个夸克,如果两个自旋向上, 一个自旋向下,就可以组成自旋为1/2的质子、中子。两个正反 夸克可宰槌勺孕????牧W樱??浅莆?樽樱?绂薪樽印? J/ψ子,后者由丁肇中等人于1974年发现,它实际上是由粲夸克 和反粲夸克组成的夸克对。凡是由三个夸克组成的粒子称为重子, 重子和介子统称强子,因为它们都参与强相互作用,故有此名。 原子核中质子间的电斥力十分强,可是原子核照样能够稳定存在, 就是由于强相互作用力(核力)将核子们束缚住的。由夸克模型, 夸克是带分数电荷的,每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷(e为质子 电荷单位)。现代粒子物理学认为,夸克共有6种(味道),分 别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克,它 们组成了所有的强子,如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组 成,一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成,则上夸克带 +2/3e电荷,下夸克带-1/3e电荷。上、下夸克的质量略微不同。 中子的质量比质子的质量略大一点点,过去认为可能是由于中子、 质子的带电量不同造成的,现在看来,这应归于下夸克质量比上 夸克质量略大一点点。
质子和中子的组成:一个质子由两个上夸克和一个下夸克 组成,一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成
虽然夸克模型当时取得了许多成功,但也遇到了一些麻烦, 如重子的夸克结构理论认为,象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个 相同夸克组成,且都处于基态,自旋方向相同,这种在同一能级 上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。泡利不 相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。夸克的 自旋为半整数,是费米子,当然是不能违反泡利原理的。但物理 学家自有办法,你不是说三个夸克全同吗?那我给它们来个编号 或着上“颜色”(红、黄、蓝),那三个夸克不就不全同了,从 而不再违反泡利原理了。的确,在1964年,格林伯格引入了夸克 的这一种自由度——“颜色”的概念。当然这里的“颜色”并不 是视觉感受到的颜色,它是一种新引入的自由度的代名词,与电 子带电荷相类似,夸克带颜色荷。这样一来,每味夸克就有三种 颜色,夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种,再加上它们 的反粒子,那么自然界一共有36种夸克,它们和轻子(如电子、 μ子、τ子及其相应的中微子)、规范粒子(如光子、三个传递控 制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强(色) 相互作用的胶子)一起组成了大千世界。夸克具有颜色自由度的 理论得到了不少实验的支持,在70年代发展成为强相互作用的重 要理论——量子色动力学。
三、量子色动力学及其特点
“量子色动力学”这一名称听起来有点可怕,念起来有点拗 口,应该这样念:量子/色/动力学。这个理论认为,夸克是带有 色荷的,胶子场是夸克间发生相互作用的媒介。这不禁让我们想 起电子是带有电荷的,传递电子间相互作用的媒介是电磁场(光 子场)。的确,关于电荷的动力学我们早已有了,它叫“量子电 动力学”,发展于三四十年代。一般读者对电磁相互作用都有点 熟悉,因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用。电磁场 的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学,具体地说,量子电 动力学就是研究电子和光子的量子碰撞(即散射)的,自然,量 子色动力学是研究夸克和胶子的量子碰撞的。
胶子是色场的量子,就象光子是电磁场的量子一样。胶子 和光子都是质量为0、孕??、传递相互作用的媒介粒子,都属 于规范粒子。两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生 的(虚光子只在相互作用中间过程产生,其能量和动量不成正比, 不能独立存在,在产生后瞬时就湮灭。由相对论知道,自由运动 的电子不能发射实光子,但可以发射虚光子。给予我们光明和热 能的是实光子,它的能量和动量成正比,脱离源后,能独立存 在),自然,两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生 的。虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量,交给另一个夸克, 于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里,我们 会说,不是重复了一下吗?量子色动力学可以由量子电动力学依 葫芦画瓢建立起来,真是太容易了!不过实际上没有这么简单。 按群论的语言讲,电磁场是U(1)规范场,是一种阿贝尔规范场, 群元可以交换,而胶子场是SU(3)规范场,是一种非阿贝尔规范 场,群元不可以交换。一般来说,“非”总比“不非”要麻烦得 多。电荷只有一种,而色荷却有三种(红、黄、蓝);U(1)群的 生成元只有一个,就是1,所以光子只有一种,而SU(3)群有八个 生成元,一个生成元对应一种胶子,所以胶子共有八种;光子不 带电荷,而胶子场由于是非阿贝尔规范场,场方程具有非线性项, 体现了胶子的自相互作用,因而胶子也带色荷,夸克发射带色的 胶子,自身改变颜色。所以胶子场比电磁场复杂,因而出现了许 多不同寻常的现象和性质,其中最重要的恐怕要数“渐近自由” [2-3]和“夸克幽禁”[4-6]了。
“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时,耦合常数也 会变得很小,以致夸克可以看成是近自由的。耦合常数变小是由 于真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化(即 它使真空带上颜色),夸克与周围真空的相互作用导致由真空极 化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布,最终效果使夸克色荷 变大,这称为色的反屏蔽效应(对于电荷,刚好相反,由于真空 极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子,所以总电荷减少,这称为 电的屏蔽效应。与它作比较,色的反屏蔽效应这一术语由此而 来)。由于这一效应,在离夸克较小距离上看来,大距离的夸克 比它带的色荷多,所以小距离上强作用相对而言变弱了,这就是 所谓“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果, 它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。但是在低能情形或者 说大距离情形,由于耦合常数变强及存在幽禁力,计算变得困难。
量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”,但是对大距 离的“夸克幽禁”,量子色动力学就无法预言了,这是量子色动 力学的困难。
“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红黄蓝三 色夸克组成无色态,强子都是无色的。一旦夸克可以从质子或强 子中跑出来,自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空 的进一步极化,色荷之间的幽禁势是很大的,整个真空都带上了 颜色,能量很高,导致真空爆炸。实际这些都没有发生,暗示自 然界不存在游离的夸克,那么我们会问:夸克倒底是一个数学技 巧还是一个物理实在?研究这一问题,是对夸克模型的考验。不 过,现在因为已有了夸克存在的间接证据,物理学家相信夸克是 应该的确存在的。夸克为什么要被幽禁起来,物理学家已提出了 几个理论。有人提出口袋模型,如认为质子是一只受真空挤压的 口袋,可将夸克束缚住而逃不出来[7-9];有人提出了弦理论, 认为夸克绑在弦的两端,而这条弦却难以断裂,即使一旦断裂, 断裂处生成一对正反夸克,原来的强子碎裂为两个新的强子,从 而自由的夸克从来不可能出现[10];也有人说,既然胶子带色荷, 胶子之间也会有色磁吸引力,从而色力线被拉紧呈平行状,就如 一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样, 夸克之间也有类似这种吸引力;格点规范理论的面积定律证明夸 克之间有线性禁闭势存在[11];90年代中期塞伯和威滕用他们发 展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁[11]。 关于夸克幽禁的理论有许多,正好说明了我们对强力的了解还不 够充分。
四、 核子结构图象与核子衰变
对介子谱的研究表明,夸克之间除了由于单胶子交换引起的 色库仑力外,还有色禁闭力,其势是随距离线性增长的,正如上 面所说,虽然不清楚线性禁闭势的来源,但可以认为正是这个势 导致了夸克幽禁。但是这一观点也许要受到挑战。因为用相对论 性波动方程解介子能谱,发现在无穷远处波函数并不收敛至零, 而是一个散射解。这意味着我们应探测到游离的夸克,但实际并 不如此。那这些散射解是怎么产生的呢?原来禁闭势在无穷远处 十分巨大,以致扰动真空导致正反夸克产生。实际没有测到这些 产生的夸克,一个原因可能是大距离时夸克的质量也会变得十分 巨大,远远超过了线性势,抑制了真空扰动产生正反夸克的能力。 夸克质量会随距离增大而增大,可能可以用真空色电极化(导致 真空带上颜色)来解释。真空色电极化使得色荷象滚雪球一样越 来越大,夸克能量和质量也相应越来越大,浸在真空中的单一夸 克质量巨大,真空没有足够的能量产生这些夸克,也许这最终导 致了夸克幽禁。
对于强子结构,现在对不同的能态用不同的理论模型来描述。 基态质子和中子,可以用量子力学的薛定谔方程求解,强子质量 主要由夸克承担;对于处于激发态的共振粒子,弦模型比较成功, 该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦(色力线管)提供 [10];对于更高能的强子激发态,由于真空色电极化十分强大, 因而强子质量主要就是色电极化质量,夸克的质量和弦的质量十 分微小。现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统 一的理论来描述。
上面讨论的是质子中子及其共振态的静态性质,下面谈一下 它们的衰变问题。原子核内的质子中子是稳定的,但自由的中子 是不稳定的,寿命约为11分钟。中子的质量比质子略大一些,因 而可以有足够的能量衰变为质子,并放出一个电子和一个电子型 反中微子。在夸克水平上解释这一过程,实际上就是:中子内的 一个下夸克(带-1/3e电荷)放出一个传递弱相互作用的中间玻色 子W- ,自身变成上夸克(带+2/3e电荷),W-又衰变为一个电子 和一个电子型反中微子。由于质子中子的重子数都为+1,轻子数 为0,电子和电子型中微子的重子数为0,轻子数分别为+1和-1, 所以这一过程重子数、轻子数都守恒。现在的粒子物理标准模型 (量子电动力学、弱电统一理论[12]、量子色动力学)认为重子 数是守恒的,质子已是最轻的重子,所以它不能再衰变为其他重 子,它是永恒的。由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成 的,所以很容易相信质子是永恒的。但是有一种理论却预言这种 观念是不对的,质子会衰变成正电子和中性π介子,重子数和轻 子数并不绝对守恒。这种理论是大统一理论[13-17],它企图把 强、弱、电相互作用统一起来,用一个耦合常数来描写。大统一 理论包含着标准模型,但比标准模型来得更大,因而有更多的传 递相互作用的规范玻色子。虽然这些规范玻色子是一种超弱场的 量子,但质子中的下夸克却会释放这种规范玻色子,自身变成正 电子,而质子内的一个上夸克吸收这个规范玻色子,变成上夸克 的反粒子(反上夸克),这个反上夸克与质子内的另一个上夸克 结合成中性π介子。由于引起这种夸克—轻子转化的场十分弱, 所以质子虽然要衰变,但衰变寿命是很长的,大约为一千万亿亿 亿年,而我们的宇宙寿命也只有几百亿年,所以质子平均寿命比 宇宙寿命长十万亿亿倍。在你一生当中,你体内的质子只能衰变 零点几个,不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便。质 子衰变还只是一个理论预言,实验的证明还没有完全结束[16]。
前面提到,质子中的点粒子是夸克,实际上它们还包括胶子 和不断产生、湮灭的海夸克。过去认为质子自旋为1/2,是由三个 夸克提供的,而如今的研究却不能支持这一观点,质子中的三个 夸克的总角动量只占质子自旋的15%,而大部分自旋也许由胶子 和海夸克承担。这被称为“质子自旋危机”,是个热门课题。
五、 简短总结
虽然胶子的存在证据也有了,顶夸克存在的证据也在1995年 找到了,但是对于强子结构的研究和自由夸克的探索还需走更长 远的路。夸克幽禁的根本原因倒底是线性禁闭势的存在还是色电 极化所致,夸克幽禁是暂时的还是永久的,值得继续研究。如果 夸克是永久性禁闭的,强子永远是无色的,正应了一句话:“色 即空,空即色。”孰是孰非,有待高能物理及其理论的继续发展。