质子和中子各由三个夸克组成,考虑到海森堡不确定性原理,这些夸克周围有数千个虚夸克。维持稳定的三个夸克叫作“价夸克”,它们决定了整体的同一性。
由于夸克带电,我们知道夸克会与光子场相互作用。但存在一个明显的问题:为什么带正电的两个上夸克不会相互排斥?带相同电荷的两个粒子不可能相安无事,因此需要有人来解释,为什么原子核在形成的瞬间不会爆炸成碎片?
日本物理学家汤川秀树提出有一种比电磁力强得多的力,是它使质子形成一个整体,也是它让质子和中子保持稳定。这种力可以压倒电荷的排斥,原因是它非常强,所以汤川秀树给它取名为“强核力”。
电磁力与强核力的量级差别非常大。电磁力可以移动原子周围的电子,使化学反应(比如生火)得以发生。强核力则涉及移动原子核中的质子和中子,它能引发核爆炸。
电磁力是关于粒子与光子场的耦合的,并且粒子通过虚光子进行交流,所以从逻辑上讲,强核力也有自己的场,并且夸克能与之耦合,盖尔曼把这种场称为“胶子场”。你懂的,因为它把粒子胶合在一起。
接下来,我们要赋予夸克一种属性。光子场中粒子的耦合能力叫电荷,盖尔曼需要一种属性使夸克与胶子场耦合,他选择了一个不太有用的词:色荷。
“黏性”这个词可能更适合,但盖尔曼确实有自己的理由。不同于电荷的两种形式(正电荷与负电荷),色荷有三种,这让人联想到光的三原色。
夸克有红、绿、蓝三种“色荷”,它们通过胶子结合在一起,颜色相互抵消,形成整体呈“白色”的质子和中子。夸克并不是字面上的红色、蓝色和绿色(实际上它们没有颜色,参阅附录Ⅴ),我们通常把它们画成红色、蓝色、绿色,只是为了故意造成混淆。
费曼关于电子和光子的量子场论是量子电动力学,因此盖尔曼把关于夸克和胶子的量子场论称为“量子色动力学”(QCD)。这个名字来自希腊语中的“chroma”,意思是颜色。
看来我们被困在这里了
费曼关于轻子的QED理论和盖尔曼关于胶子的QCD理论有一个最大的区别,那就是在QED中,一切都可以用相反的术语表示:吸引与排斥,正与负,物质与反物质,等等。我们可以通过颠倒方程和图表解决所有的问题,但强核力涉及三种色荷,因此不再是改变立场的问题。有三种不同选择的时候,“相反”这个词就不再适用。
此外,反夸克还有反色,分别是反红、反蓝和反绿。也就是说,如果QCD成立,我们就必须解释六种色荷。电荷是光子以相反的方式运动的结果,但胶子不同,盖尔曼必须对它们的古怪行为做出合理的解释。
我们需要一种更复杂的费曼图,在这种图中颜色可以转换。
电子和正电子都带有电荷,而夸克可以互相交换色荷。假设有两个夸克,分别是红色和蓝色,胶子场可以转换它们的颜色,红夸克变成蓝夸克,蓝夸克变成红夸克。
QCD图用螺旋线代表胶子,两个夸克之间的相互作用可以这样计算/描绘:
夸克之间移动的胶子把蓝色荷带到左边,把红色荷带到右边。这意味着在来回穿梭的过程中,虚胶子是色彩丰富的。
色荷交换也可以解释为什么强核力总是相互吸引,而电磁力既可以吸引,也可以排斥。因为虚胶子有多种颜色,每一端都有夸克。根据定义,胶子把一个夸克的色荷转移到另一个夸克,如果去掉其中一个夸克,对应的胶子就会空下,其中的色荷将无处安放。
夸克有色荷,这是它们与胶子场耦合的另一种说法。夸克永远不会独立存在,因为夸克的本性就是“通过胶子与其他夸克结合”。强核力总是具有吸引力的。
其对应的术语叫“夸克禁闭”。夸克总是成对出现(介子)、三个一起出现(重子)、四个一起出现(四夸克),等等。我们从来没有见过“裸”夸克—真实的术语—尽管那些变态的物理学家竭尽全力地想要看一眼。
我们把两个夸克放在胶子线的末端(介子),让它们在磁场中旋转,直到胶子管折断。