色动力学

学科

“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。

信息简介

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

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、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。

胶子场

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

“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

“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红绿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，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。

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