什么是强力？量子色动力学这样回答 _中国农业大学

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一个氦原子核由两个质子和两个中子组成，如果我们简单做一下计算，会发现两个质子相互排斥的电磁力大约为100牛，相当于在地球表面举起一个10千克的物体。这在原子层面是一种巨大的力量，在一些更大的原子当中，这种斥力还会更大。那么，面对如此强大的斥力，这些核子又是如何紧紧黏在一起的呢？

实验证明，使它们聚集在一起的力比电磁力更强。事实上，这种力的强度比电磁力大至少100倍，它是宇宙中最强大的基本力量，物理学家形象地称之为强力或强核力。虽然它非常强大，但只在非常短的距离内有效。我们有一门研究强力的理论，称为量子色动力学(QCD) ，它是“颜色”的量子理论，但这种“颜色”和我们经常看到的颜色是不同的概念。
量子色动力学的产生在1920年代，物理学家越来越清楚地认识到，原子是由带负电荷的电子和带正电荷的原子核组成的。这个模型虽然简单易懂，但却留下了一个大问题：如果同种电荷互相排斥，那么原子核中的质子为什么能紧密地堆积在一起？显然，必须要有某种极强的力量才能克服这种排斥力。
【什么是强力？量子色动力学这样回答】1934年，日本物理学家Hideki Yukawa提出了关于强力的第一个重要理论。他意识到，由于电磁力发生在大尺度上，这种对抗电磁力的强力就必须发生在小尺度上，因为我们在宏观世界中看不到强力的影响。强力的作用范围较小的另一个线索是，早期的理论认为，大于铅的原子核都是不稳定的，超过这个临界点，强力就无法将原子核凝聚在一起。

Yukawa提出，一定存在一个巨大的中介粒子，可以在质子和中子之间传递这种力。他使用爱因斯坦的质能方程和海森堡的不确定原理，找到了一个近似的质量。他发明了“介子”一词来描述这种粒子，介于像电子这样的轻子和质子这样的重子之间。但是，这给粒子物理学带来了危机，因为人们不认为这些粒子是基本粒子。
1964年，默里·盖尔曼提出，如果介子和其它传递强力相互作用的粒子由更小的基本粒子组成，则这个危机可以被化解。盖尔曼以一本爱尔兰小说中的术语来命名这些基本粒子：夸克。在他的理论模型中存在着三种类型的夸克：上夸克、下夸克和奇夸克。上夸克携带的电荷为2/3 ，下夸克和奇夸克携带的电荷为-1/3 ，它们的自旋都为1/2 。

夸克模型提出，介子由夸克-反夸克对构成。由于物质和反物质会相互湮灭，所以介子不可能存活太长时间。夸克也可以三个为一组形成重子，例如质子和中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，刚好携带一个正电荷；中子由一个上夸克和两个下夸克组成，不携带电荷。

但是，三夸克的想法也有问题，它们之中至少有两个具有相同的量子特性。根据泡利不相容原理，两个具有相同量子特性的费米子不能同时存在于相同的位置。 1964年，美国物理学家沃利·格林伯格提出，夸克还具有“颜色”这个额外的属性。这是一种电荷的隐喻，一种颜色电荷。如果是这样的话，它们会有不同的色电荷，因此它们不会违反泡利不相容原理。

有红、绿、蓝三种颜色的电荷，与我们所看到的颜色类似，为了获得中性电荷，必须结合三种色电荷，就像当你结合可见的红、绿和蓝，就可以得到一个中性的白色一样。在量子色动力学中，颜色必须是守恒的，也就是说，所有的颜色必须组合在一起才能得到一个中性的白色。这意味着任何含有色荷的粒子必须与其他粒子结合才能形成中性色。

什么是强力？量子色动力学这样回答

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