微觀到結合夸克構成質子的「強核力」 它非常有意思

北京時間5月7日消息，據國外媒體報道，引力、電磁力、弱核力、強核力----四種已知自然力都有屬於自己的獨特位置，每一種力都在我們的生活中掌管著一片小天地。雖然地球上是引力、光的電磁力在日常生活中發揮主要作用，但兩種核力也扮演了關鍵角色——只不過作用尺度非常、非常小而已。

質子由三個夸克構成。每個夸克都有自己的「色荷」。它們由強核力結合在一起

有多小呢？想像你的身體膨脹到了整個太陽系那麼大，你的雙手在奧爾特雲中搖擺，八大行星則飄在你的肚臍上方。你的身體太過龐大，電信號要花上幾周、甚至數月時間，才能穿過你的整個神經系統。即使做再簡單的手勢，動作也極其緩慢。

這就是你現在的大小（大概一米多）與10^15米之間的差距。

現在讓我們反過來想。想像一個極小的尺度，對這個尺度而言，你的身體就像太陽系那麼大。在這個尺度看來，你的動作也慢得不可思議。這個極小的尺度單位名叫「費米」（femtometer），相當於10^-15米。而這就是原子核的尺度。

質子內部

從我們的視角來看，很容易把質子想成一個單獨的粒子，外面有一層由正電荷和質量構成的外殼，能像撞球一樣彈來撞去。但事實上，質子由三個更小的粒子構成，而這三個粒子有一個有趣的名字：夸克。自然界中一共有六種夸克，但就質子而言，我們只需要關注其中兩種，分別叫上夸克和下夸克。

剛才說到，質子由三個夸克構成，包括兩個上夸克和一個下夸克。這些夸克相互結合在一起，形成一支團隊，而這支「團隊」就是我們所說的質子。

然而，這樣根本說不通。

兩個上夸克所帶的電荷完全相同（因為它們屬於同一類粒子），本應相互排斥才對，怎麼能如此牢固地結合在一起呢？

此外，我們通過量子力學得知，兩個夸克無法同時處於同一種狀態，因此不可能讓兩個夸克同時以同一種方式結合在一起，也不可能讓它們以這種方式共存。然而不知何故，這兩個夸克不僅能「忍受」對方的存在，甚至似乎還很喜歡對方的「陪伴」。

到底發生了什麼事情呢？

不一樣的「色彩」

上世紀五六十年代，物理學家開始意識到，質子並不是最基本的粒子，它還可以分解成更小的部分，所以他們開展了大量實驗，並提出了多種理論。結果，他們先是發現了夸克的存在，然後又遇到了上述難題。

肯定有某種東西將這三個夸克結合在了一起，並且它的力量非常、非常強大，是一種全新的自然力。

這就是所謂強相互作用力。

這種假設出的強相互作用力通過簡單的蠻力解決了夸克共存的問題。你們無法同時處於同一種狀態，所以不願意待在一起是嗎？沒辦法，強相互作用力會強迫你們倆待在一起，這樣一來，問題就解決了。

此外，每一種力都有一個對應的連接點，就像一隻鉤子一樣。這能幫你判斷這種力對你造成了多大的影響。對電磁力而言，這個連接點就是電荷；對引力而言是質量；而對強核力而言，物理學家也得找出一種對應的「鉤子」。最終，物理學家選定了「色荷」（color）這個詞。

因此，假如你、或者你知道的某個粒子擁有這種名叫「色荷」的性質，你就能感受到強核力。你的色荷可以是紅色、綠色、或藍色（還有「反紅色」、「反綠色」和「反藍色」，因為生命必定不會那麼簡單）。要形成一個像質子那樣的粒子，所有夸克的色荷加在一起必須為白色。因此，如果一個夸克是紅色，另一個是綠色，最後一個就必定是藍色。色荷的具體分配情況並不重要（事實上，每個夸克的色荷也會不斷變化），重要的是，所有夸克的色荷加在一起必須是白色，這樣強核力才能發揮作用。

有了色荷這種新性質，質子內部的夸克就可以同時處於同一種狀態了。因為有了色荷，兩個夸克就不算完全相同，畢竟它們各自的色荷不一樣。

超級強度

想像一下，你拿著兩把小小的鉗子，夾住質子中的兩個夸克。你有鍛煉的習慣，所以你的力氣可以勝過強核力。

但強核力有個奇怪的性質：它的強度並不會隨著距離的增大而減小。而其它力都會如此，比如引力和電磁力。但強核力的強度卻始終如一，無論夸克之間相距多遠，都不會有所減弱。

因此，你要想將這些夸克掰開，就要不停加入更多的能量，才能維持它們的分離狀態。你加入的能量越來越多，最終積累了足夠多的能量，以致於夸克之間的真空中又誕生了新粒子、新夸克……

而這些新夸克又會立即找到「小夥伴」，彼此結合到一起。你花了半天工夫，出了一身大汗，最後還沒來及把兩個夸克掰開多遠，這一切就會功虧一簣。等你以為自己總算把兩個夸克掰開之後，它們已經找到了新夥伴、建立起了新的結合關係。這一效應叫做「夸克約束」，強核力實在太過強大，導致我們永遠也不可能看見一個孤立存在的夸克。

而我們永遠也無從得知這個夸克的「顏色」。真是遺憾。

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