夸克,宇宙中的一种基本粒子,但它其实并没有颜色

夸克,宇宙中的一种基本粒子,但它其实并没有颜色
2019年09月02日 11:50 新浪网 作者 红魔足球椰果

夸克,宇宙中的一种基本粒子,但它其实并没有颜色

在最基础的水平,现实仅决定于宇宙的两个特性:组成所有现存事物的量子和它们之前的相互作用。尽管统领的这些法则看起来非常复杂,其中的概念极其简单明了。宇宙由碎散的能量组成,这些能量被束缚在具有特定属性的量子粒子中。这些粒子根据构成我们现实的物理定律相互影响,相互作用。

有些量子特性控制粒子是否以及如何在特定力下相互作用。所有事物都具有能量,因此所有事物都受引力的影响。然而,只有具有正确种类电荷的粒子会受到其他力的影响,因为要使耦合发生,这些电荷是必要的。对于强核力来说,粒子需要色荷才能相互作用。但是夸克其实没有颜色。接下来所描述的才是真实发生的事。

夸克,宇宙中的一种基本粒子,但它其实并没有颜色

图解:人们相信标准模型的粒子和反粒子是物理定律的结果。虽然我们将夸克、反夸克和胶子描述成有颜色或者反色的,但是这只是一个类比。其中的科学才是更吸引人的部分。

虽然我们可能无法理解所有关于这一现象的知识,但我们已经发现且揭秘了标准模型的所有粒子以及控制它们相互作用的四种力——引力、电磁力、弱核力和强核力的性质。但不是每个粒子都会参与每次粒子间的相互作用,得有正确的电荷才行。

在四种基本力中,每个粒子都具有固定的能量,甚至像光子那样没有质量的粒子。只要你有能量,你就能感受到引力。而且正能量(或质量)是仅有的一种引力电荷。因此,引力始终是吸引力,并且它存在于宇宙中的一切事物之中。

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图解:运用动画来观察在有质量穿过时空时它的反应有助于准确地展示在性质上,时空不仅仅只是一张布料。相反,宇宙中物质和能量的存在和它们的性质弯曲了空间本身。比如说,注意如何重力始终都是吸引力的这一现象,因为(正)类型的质量/能量只有一种。(LUCASB)

电磁学会稍微更复杂一些。不同于只有一种类型的基本电荷,它有两种:正电荷和负电荷。当相同的电荷(正和正或者负与负)相互作用时,它们相互排斥,然后当相反的电荷(正和负)相互作用时,它们相互吸引。

这引出了一个令人兴奋的可能性,即重力不具备能够对外的单独带电物体施加净力去达到束缚状态的能力。等量的正电荷和负电荷结合成一个系统时会产生一个中性的物体: 一个没有净电荷的物体。自由电荷会施加吸引和/或排斥力,但是不带电的系统不会。这是引力和电磁力最大的区别:是否能创造由不是零电荷组成的中性系统。

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图解:牛顿的通用引力定理(L)和库伦的静电定理(R)的形式是几乎相同的,但是一种s.两种电荷最主要的区别给电磁学打开了新的充满着可能性的大门。(丹尼斯-尼尔森/ RJB1/ E.西格尔)

如果我们同时想象这两种力,你可以把电磁力想成有两个方向,而引力只有一个方向。电荷可以是正的或者是负的,各种各样阴阳离子的结合,阳性阳性、阳性阴性、阴性阳性、阴性阴性使得吸引和排斥发生。引力从另一方面来看只有一种类型的电荷,所以它只有一种力:吸引力。

尽管有两种类型的电荷,对于电磁的吸引和排斥作用来说,一种粒子——光子,就够了。电磁力的结构相对于简单——两种电荷,类似的光子相互吸引,相反的排斥—单个粒子,光子, 可以同时解释电和磁的效应。从理论上来说,一个粒子,即引力子,也可以为引力做同样的事情。

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图解:今天,费曼图被用于计算每个跨越强和弱力,和电磁力基础的相互作用,包括高能和低温/冷凝的状态。这里所示的电磁相互作用全部都是由一个带力的粒子,光子,所控制的。(De Caralho, anuildo s.et al.nucl.Phys.B875(2013)738-756)

但是在完全不同的基础上存在着强力。它与引力和电磁力相似,在某种意义上它与一个新型电荷和新力的可能性联系着。

试图想象一个原子核,你必须同时立刻认识到强于电力的另一个力也必须存在,否则由质子和中子组成的原子核会因为电荷排斥而飞散开来。而负责的让原子核待在一起的力被创造性的命名为强核力,作为组成质子和中子的成分——夸克,既带电荷还带有另一种新型电荷:色荷。

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图解:类似于CD动力学,红绿蓝的类比是如何标准模型外的现象被感念化的方式。这种类比通常比色荷的概念更进一步,例如通过technicolor这样的延伸。(维基百科用户 BB3CX)

但和你想象的相反,这些跟颜色其实并没有关系。我们叫它有色荷的原因是它不止是一种基础的有吸引力的电荷(如引力)或者是两种相反的类型的基本电荷(如电磁学的正电荷和负电荷),强力是由三种基本类型的电荷所控制的,并且它们不同于其他我们更熟悉的力,遵守着截然不同的规则。

对于电荷来说,一个正电荷可以被一个同样大小的相同且相反负电荷所消除。但是对于色荷来说,有三种不同的基础电荷。如果要消除一种单色电荷,需要一个第二种和第三种电荷。相同数量的三种电荷的结合产生的组合被称为“无色”的组合,并且无色组合是唯一的稳定的多粒子组合。

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图解:与强核力相互作用的夸克和反夸克是红色,绿色和蓝色的(对于夸克),和青色,洋红色,和黄色的(对于反夸克)。在强力的原则下可存在红色+绿色+蓝色,青色+洋红+黄色任何无色组合或者是其他合适的有色/反色组合。(亚大巴斯卡河大学/维基共享资源)

这单独分别适用于有着正色荷的夸克和有着反色荷的反夸克。想象一个色环,你可能会把红色、绿色和蓝色放在等距的位置,像个等边三角形一样。但是在红绿之间会是黄色,在绿蓝之间会是青色,在红蓝之前会是洋红色。

这些中间的色荷对应着反粒子的颜色:反颜色、青色和反红色、洋红色和反绿色、黄色和反蓝色是一样的。就像可以用红色、绿色和蓝色三种夸克组成一个无色组合(像一个质子),你可以用青色、洋红色和黄色的反夸克组成一个无色组合(像一个反质子)。

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图解:三个夸克(RGB)或三个反夸克(CMY)的组合是无色的,适当的夸克和反夸克的组合也同样。保持这些实体稳定的胶子的交换非常复杂。(Maschen /维基共享资源)

如果你对色彩有,你可以用另一种方式来想象如果制作一个无色组合。如果三种不同颜色或者反颜色可行,也许正确的颜色和反颜色也可行?

事实上它的确可行。你可以把夸克和反夸克正确的结合在一起去制作一个无色的复合粒子, 称为介子。这样可行的原因是:

1.红色和青色

2.绿色和洋红色

3.蓝色和黄色

都是无色组合。所以只要净电荷是无色的,它就可以存在于强力的原则中。

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图解:夸克(RGB)和相应的反夸克(CMY)组合始终确保了介子是无色的。(ARMY1987 / Timothyrias 维基共享资源)

这可能会让你开始向一些有趣的方向思考。如果红绿蓝的组合是无色的,但红青色的组合也是无色的,这是否意味着蓝色绿色和青色是相等的呢?

完全正确。这意味着你可以把单个(有色)的夸克和以下的任何一个配对:

1.两个其他的夸克,

2.一个反夸克,

3.三个其他的夸克和一个反夸克,

4.一个其他的夸克和两个反夸克,

5.五个其他的夸克,

或者任意其他的能达到无色总量的组合。当你听到像四夸克态(两个夸克两个反夸克)或者五夸克态(四个夸克和一个反夸克)这样奇怪名字的粒子时,你知道它们也遵循着这些规则。

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图解:当有自旋和可以是1/2,3/2,5/2的六个夸克和六个反夸克可供选择时,五夸克态的可能性比所有重子和介子的可能性。在强力中唯一的规则是所有的这些组会必须是无色的。(CERN /LHC/LHCB 合作)

但是颜色只是一个类比,如果你追究细节的话,它很快就会站不住脚。比如说强力是通过交换带有色荷和反色荷结合的胶子。如果一个蓝夸克释放出一个胶子,它可能会变成红夸克,这意味着释放出的胶子含有一个青色(反红色)一个蓝色的色荷,能让它保持它原先的颜色。

那你可能会想,有三种颜色和三种反色就可能与九种可能类型的胶子。毕竟你可以把每个红色,绿色和蓝色与每个青色,洋红色和黄色搭配的话,就能得到九种可能的组合。这是个很好的初步猜测,它非常接近正确的理论。

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图解:通过色荷的存在和胶子的交换而运作的强力是使原子核结合在一起的力。胶子必须有一个色荷和反色荷的结合体以使得强力如此,且必须如此运作。(维基共享资源用户 qashqaiiloe)

但事实证明只存在八个胶子。想象一个红夸克释放出一个红色/洋红色的胶子,那个红夸克将变成绿夸克,因为这是你保存颜色的方式。这个胶子会再找一个绿夸克,这样洋红色可以消除绿色然后留下红色。通过这种方式,颜色在相互作用的有色粒子间交换。

但是这种思维方式只适用于六个胶子:

1.红/洋红

2.红/黄

3.绿/青

4.绿/黄

5.蓝/青和蓝/洋红。

当你遇到其他的三种可能性—红/青,绿/洋红和蓝/黄—时,问题就来了:它们是无色的。

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图解:当你有三种无色且可能的色荷/反色荷组合时,它们会混在一起产生两个在各种色荷/反色荷组合中不对称的“真正的”胶子,还有一个完全对称的胶子。只有不对称的那两个组合能产生真正的粒子。(E.西格尔)

在物理学中,只要粒子有相同量子数,它们就会混在一起。这三种无色的胶子也绝对会混杂在一起。有关它们如果混在一起的细节非常深奥且超出了非技术性文章的范围,但是最终会得到两种有着三种颜色和反色的不同结合,和一个有着平均所有颜色和反颜色的结合。

最后的一个胶子是真正无色的而且不能与任何有色的粒子和反粒子进行物理性的相互作用。因此,只有八个符合自然法则的胶子。夸克(和/或反夸克)之间的胶子交换,以及其他无色粒子和其他无色粒子之间的交互实际上是原子核能结合在一起的原因。

夸克,宇宙中的一种基本粒子,但它其实并没有颜色

图解:单个的质子和中子可以是无色的但是它们之间仍存在着残留的强力。宇宙中所有已知的物质都可以被分为原子,原子则可以被分为原子核和电子,然后原子核可以继续被分解。我们可能还没有达到分裂的极限,或是达到能把一个粒子分为多个构成部分的水平,但是我们所说的色荷或在强相互作用下的电荷是夸克,反夸克和胶子的最基本属性。(维基共享资源用户 Manishearth)

我们可以把它叫做色荷,但是强核力遵循着独属于我们宇宙现象规则。我们可以给予夸克颜色,反夸克反色,胶子颜色和反色的组合,但这只是一个有限的类比。实际上粒子和反粒子根本就没有颜色,它们是遵循着一个有三种基本类型电荷的相互作用规则,并且只有没有静电荷的结合可以存在于这个系统的自然界中。

这种复杂的相处作用是唯一已知的可以克服电磁力并将两个像电荷那样的粒子结合成单一稳定结构—原子核—的力。夸克实际上没有颜色,但它们有被强相互作用所控制的电荷。只有具备这些独特的属性,这些构建物质的基本元件才能结合起来形成我们现在居住的宇宙。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3.medium-一本正经的猹-半月im-Ethan Siegel

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