量子色动力学,或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!( 二 )


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1961 年, 美国物理学家盖尔曼提出了强子分类的 SU(3) 模型。这一模型不仅对当时已知的强子给出了很好的分类, 而且还预言了当时尚未发现的粒子,但这一模型有一个显著的缺陷, 那就是 SU(3) 的基础表示似乎不对应于任何已知的粒子。
在粒子物理学里,标准模型(英语:Standard Model, SM)是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。而描述电磁、弱和强相互作用的粒子物理标准模型,对应的对称性分别为:U(1)Y x SU(2)L x SU(3)c。这些对称群在数学上称为幺正李群。幺正指的是某个物质于时刻t在全空间找到粒子的总概率等于1。若微观粒子不能产生和湮没,那么某时刻波函数满足归一化条件,则在任何时刻,波函数都将保持归一化(概率守恒)。它叙述的是微观过程物质不灭的原理。而李群是一种只有一个运算的、比较简单的代数结构;是可用来建立许多其他代数系统的一种基本结构。(宇宙四大力,引力还没有被纳入标准模型)
1964 年, Gell-Mann 与美国物理学家 George Zweig (1937-) 提出了夸克 (quark) 模型, 将夸克作为 SU(3) 基础表示所对应的粒子, 强子则被视为是由夸克组成的复合粒子。
量子色动力学,或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
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1964年的时候,盖尔曼和乔治·茨威格分别独立提出了夸克模型,夸克模型是一种根据强子内价夸克种类的强子分类方案,将夸克作为 SU(3) 基础表示所对应的粒子, 强子则被视为是由夸克组成的复合粒子,而价夸克就是强子内的夸克和反夸克,它们是强子量子数的源头。
这段话我给大家解释一下,我们都知道,夸克是一种比原子还小的粒子,不带电,原来认为原子是不可分割的,但后来发现了夸克的存在,,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子,强子中最稳定的是质子和中子,它们是构成原子核的单元。
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(中子是由两个下夸克和一个上夸克组成,质子由两个上夸克和一个下夸克通过胶子在强相互作用下构成。)
1969年,美国科学家费曼提出了部分子模,他认为强子是由许多带电的点粒子构成,这些点粒子称为部分子,在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中可以近似作为相互独立的粒子。
但在夸克模型中,几个夸克如何能够共同组成强子,处于在其它方面完全相同的状态但却仍满足泡利不相容原理,又成了大家苦恼的事情。
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强子,里面的是夸克
1972 年, 盖尔曼等人在实验的引导下重新考虑了格林柏格提出的色荷的概念,(色荷是夸克的一种性质),以及以之为基础的杨·米尔斯理论。而这也正式标志着量子色动力学的诞生。由于色荷是一个三值量子数, 因此量子色动力学的规范群被选为了 SU(3)。
简而言之,盖尔曼他们把杨·米尔斯理论用在强力身上,结合强力各种具体的情况,最后得到的量子色动力学(QCD)才是完整描述强力的理论。
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到了 1973 年,美国科学家格罗斯、波利茨、威尔茨克通过一个完善的数学模型说明:夸克之间越接近,强作用力越弱。当夸克之间非常接近时,强作用力是如此之弱,以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象称为“渐近自由”。反之,夸克之间距离越大,强作用力就越强。“渐近自由”为量子色动力学提供了支撑。
量子色动力学,或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
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其实讲到这里,你就明白杨振宁多牛了,电磁力、弱力、强力都是符合杨·米尔斯理论的,它为宇宙大一统提供了理论基础。
到了 1979 年,在高能正负电子对撞实验中发现三喷注现象,进一步显示了胶子的存在。这也让量子色动力学得到了进一步的完善。
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连接各个小球的就是胶子
在物理学中,胶子是一种负责传递强核力的玻色子。它们把夸克捆绑在一起,使之形成质子、中子及其他强子。
量子色动力学,或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
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在量子色动力学中,量子色动力学中总共只有两类粒子:胶子与夸克。其中胶子是无质量的, 而夸克有质量,具有色荷的夸克之间的强相互作用是通过交换胶子而实现的,胶子具有色荷,胶子之间也有强相互作用,胶子本身可放出或吸收胶子。当两颗粒子色荷互相作用时便会交换胶子。

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