關于質子中子講座

 　　一、 質子、中子不是點狀粒子

　　近代以來的物理學研究發現，物質是由不同層次的微粒構成的，形成了一個階梯系列。二三百年前，人們發現物質由分子及原子組成。到19世紀末，在科學實驗基礎上，科學家認識到原子由原子核和核外電子構成。原子很小，直徑約億分之一厘米。原子核大約是原子的10萬分之一，電子則更小，大約是原子的億分之一。1932年查德威克發現了中子，人們發現原子核又是由質子和中子組成的。人們對物質結構的研究就如剝筍一樣層層盤剝下去，每一個層次的發現，都是對物質結構認識的深化。

　　到此，曾有人以為找到了構成物質的最小"磚塊"。然而，不久人們就發現了這種認識的局限性。

　　在原子核層次下面，質子和中子是否還有其內部結構呢?

　　通過對宇宙射線的觀察分析和高能加速器的實驗，又發現了比上述微粒更小、更基本的大批新粒子，如介子、中微子、反粒子以及組成質子、中子的夸克等，達到幾百種之多。其中，大部分在自然界中并不存在，而是在高能束流的轟擊下才產生出來的。

　　微觀粒子之間存在不同的相互作用。根據這些相互作用力的特點，可把幾百種粒子分為強子、輕子和傳播子三類。

　　強子是指參與強相互作用的那些粒子，包括質子。中子、π介子等。強子有其內部結構，由夸克組成?？淇擞猩?、下、奇、粲、底、頂6類，每類有3種，共18種。1995年，科學家用高能物理實驗證實了頂夸克存在的預言，這是近年來關于物質結構研究的一項重大進展。

　　輕子與強作用無關，只參與弱力、電磁力和引力相互作用，如電子、中微子、μ子、τ子等。1992年，我國北京正負電子對撞機成功實現了τ輕子質量的精確測定，取得了國際高能物理界矚目的結果，使我國在該高科技領域占有一席之地。

　　微觀世界作用力的傳遞是由粒子完成的。

　　這些粒子即稱傳播子，也屬于基本粒子范疇，傳遞強力的稱膠子，傳播電磁力的是光子，弱力的傳播子是中間玻色子W+、W+和Z0。

　　夸克、輕子是不是就是最基本的物質結構單元呢?也不是。已有許多跡象表明，它們也可能還存在內部結構。對更微觀層次的探究，是當代科學研究的最前沿之一。1979年的諾貝爾物理獎得主格拉肖曾建議，假如一旦在實驗上發現了比夸克更小的微粒，應命名為"毛子"，以紀念毛澤東關于物質無限可分的哲學思想。這一設想雖尚未實現，但說明了科學家對辯證思維的重視。

　　質子和中子不是點粒子，它們都具有內部結構。在30年代，理論物理學家認為作為核子的質子和中子是基本粒子，應該象點粒子，根據狄拉克的相對論性波動方程，質子的磁矩是一個單位核磁子，中子由于不帶電，因而磁矩是零。但出乎意料的是，實驗家斯特恩測得的質子磁矩卻為5.6個單位核磁子，中子磁矩也不是零，而是-3.82個單位核磁子，與點粒子理論相悖。這些都清楚地說明質子、中子并不是我們想象的那樣簡單，它們可能是具有內部結構的。60年代，霍夫斯塔特等人用高能電子轟擊核子，證明核子電荷呈彌散分布，核子的確具有內部結構。既然核子并不是點粒子，那么其內部的物質是怎樣分布的呢?也許有三種情形：或者核子內有一個硬核，核子象一枚桃子;或有許多顆粒，象石榴一樣有許多子;或沒有顆粒，疏松如棉絮狀。具體屬哪一種情形，要靠深度非彈性散射實驗來作進一步決定。

　　深度非彈性散射實驗指用極高能電子去撞擊質子或中子，使后者激發到一個個分立的能級即共振態，甚至達到使π介子離化出來的連續激發態。非彈性散射實驗會改變質子、中子的靜止質量。實驗表明，質子、中子內部有一個個點狀的準自由的粒子，它們攜帶有一定動量和角動量。那么質子、中子內的這些點狀粒子是什么呢?具有些什么性質?

　　二、 夸克模型——夸克的味和色

　　1964年，美國科學家蓋爾曼(見右圖)提出了關于強子結構的夸克模型。強子是粒子分類系統的一個概念，質子、中子都屬于強子這一類。"夸克"(quark)一詞原指一種德國奶酪或海鷗的叫聲。蓋爾曼當初提出這個模型時，并不企求能被物理學家承認，因而它就用了這個幽默的詞。夸克也是一種費米子，即有自旋1/2 。因為質子中子的自旋為1/2，那么三個夸克，如果兩個自旋向上，一個自旋向下，就可以組成自旋為1/2的質子、中子。兩個正反夸克可以組成自旋為整數的粒子，它們稱為介子，如π介子、 J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年發現，它實際上是由粲夸克和反粲夸克組成的夸克對。凡是由三個夸克組成的粒子稱為重子，重子和介子統稱強子，因為它們都參與強相互作用，故有此名。原子核中質子間的電斥力十分強，可是原子核照樣能夠穩定存在，就是由于強相互作用力(核力)將核子們束縛住的。由夸克模型，夸克是帶分數電荷的，每個夸克帶+2/3e或-1/3e電荷(e為質子電荷單位)。現代粒子物理學認為，夸克共有6種(味道)，分別稱為上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、頂夸克、底夸克，它們組成了所有的強子，如一個質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，一個中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，則上夸克帶+2/3e電荷，下夸克帶-1/3e電荷。上、下夸克的質量略微不同。中子的質量比質子的質量略大一點點，過去認為可能是由于中子、質子的帶電量不同造成的，現在看來，這應歸于下夸克質量比上夸克質量略大一點點。

　　雖然夸克模型當時取得了許多成功，但也遇到了一些麻煩，如重子的夸克結構理論認為，象Ω-和Δ++這樣的重子可以由三個相同夸克組成，且都處于基態，自旋方向相同，這種在同一能級上存在有三個全同粒子的現象是違反泡利不相容原理的。泡利不相容原理說的是兩個費米子是不能處于相同的狀態中的?？淇说淖孕秊榘胝麛?，是費米子，當然是不能違反泡利原理的。但物理學家自有辦法，你不是說三個夸克全同嗎?那我給它們來個編號或著上"顏色"(紅、黃、藍)，那三個夸克不就不全同了，從而不再違反泡利原理了。的確，在1964年，格林伯格引入了夸克的這一種自由度--"顏色"的概念。當然這里的"顏色"并不是視覺感受到的顏色，它是一種新引入的自由度的代名詞，與電子帶電荷相類似，夸克帶顏色荷。這樣一來，每味夸克就有三種顏色，夸克的種類一下子由原來的6種擴展到18種，再加上它們的反粒子，那么自然界一共有36種夸克，它們和輕子(如電子、 μ子、τ子及其相應的中微子)、規范粒子(如光子、三個傳遞控制夸克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、八個傳遞強(色)相互作用的膠子)一起組成了大千世界?？淇司哂蓄伾杂啥鹊睦碚摰玫搅瞬簧賹嶒灥闹С郑?0年代發展成為強相互作用的重要理論--量子色動力學。

　　三、量子色動力學及其特點

　　"量子色動力學"這一名稱聽起來有點可怕，念起來有點拗口，應該這樣念：量子/色/動力學。這個理論認為，夸克是帶有色荷的，膠子場是夸克間發生相互作用的媒介。這不禁讓我們想起電子是帶有電荷的，傳遞電子間相互作用的媒介是電磁場(光子場)。的確，關于電荷的動力學我們早已有了，它叫"量子電動力學"，發展于三四十年代。一般讀者對電磁相互作用都有點熟悉，因此就以它為例來理解質子中子內的色相互作用。電磁場的麥克斯韋方程的量子化就是量子電動力學，具體地說，量子電動力學就是研究電子和光子的量子碰撞(即散射)的，自然，量子色動力學是研究夸克和膠子的量子碰撞的。

　　膠子是色場的量子，就象光子是電磁場的量子一樣。膠子和光子都是質量為0、自旋為1、傳遞相互作用的媒介粒子，都屬于規范粒子。兩個電子發生相互作用是靠傳遞一個虛光子而發生的(虛光子只在相互作用中間過程產生，其能量和動量不成正比，不能獨立存在，在產生后瞬時就湮滅。由相對論知道，自由運動的電子不能發射實光子，但可以發射虛光子。給予我們光明和熱能的是實光子，它的能量和動量成正比，脫離源后，能獨立存在)，自然，兩個夸克發生相互作用是靠傳遞一個虛膠子而發生的。虛膠子攜帶著一個夸克的部分能量和動量，交給另一個夸克，于是兩個夸克就以膠子為紐帶發生了相互作用。看到這里，我們會說，不是重復了一下嗎?量子色動力學可以由量子電動力學依葫蘆畫瓢建立起來，真是太容易了!不過實際上沒有這么簡單。按群論的語言講，電磁場是U(1)規范場，是一種阿貝爾規范場，群元可以交換，而膠子場是SU(3)規范場，是一種非阿貝爾規范場，群元不可以交換。一般來說，"非"總比"不非"要麻煩得多。電荷只有一種，而色荷卻有三種(紅、黃、藍);U(1)群的生成元只有一個，就是1，所以光子只有一種，而U(3)群有八個生成元，一個生成元對應一種膠子，所以膠子共有八種;光子不帶電荷，而膠子場由于是非阿貝爾規范場，場方程具有非線性項，體現了膠子的自相互作用，因而膠子也帶色荷，夸克發射帶色的膠子，自身改變顏色。所以膠子場比電磁場復雜，因而出現了許多不同尋常的現象和性質，其中最重要的恐怕要數"漸近自由"和"夸克幽禁"了。

　　"漸近自由"說的是兩個夸克之間距離很小時，耦合常數也會變得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常數變小是由于真空的反色屏蔽效應引起的。真空中的夸克會使真空極化(即它使真空帶上顏色)，夸克與周圍真空的相互作用導致由真空極化產生的虛膠子和正反虛夸克的極化分布，最終效果使夸克色荷變大，這稱為色的反屏蔽效應(對于電荷，剛好相反，由于真空極化導致電荷吸引反號電荷的虛粒子，所以總電荷減少，這稱為電的屏蔽效應。與它作比較，色的反屏蔽效應這一術語由此而來)。由于這一效應，在離夸克較小距離上看來，大距離的夸克比它帶的色荷多，所以小距離上強作用相對而言變弱了，這就是所謂"漸近自由"。漸近自由是量子色動力學的一項重要成果，它使得高能色動力學可以用微擾理論計算。但是在低能情形或者說大距離情形，由于耦合常數變強及存在幽禁力，計算變得困難。

　　量子色動力學可以預言小距離的"漸近自由"，但是對大距離的"夸克幽禁"，量子色動力學就無法預言了，這是量子色動力學的困難。

　　"夸克幽禁"說的是夸克無法從質子中逃逸出去。紅黃藍三色夸克組成無色態，強子都是無色的。一旦夸克可以從質子或強子中跑出來，自然界就會存在帶色的粒子;帶色的粒子引起真空的進一步極化，色荷之間的幽禁勢是很大的，整個真空都帶上了顏色，能量很高，導致真空爆炸。實際這些都沒有發生，暗示自然界不存在游離的夸克，那么我們會問：夸克倒底是一個數學技巧還是一個物理實在?研究這一問題，是對夸克模型的考驗。不過，現在因為已有了夸克存在的間接證據，物理學家相信夸克是應該的確存在的?？淇藶槭裁匆挥慕饋恚锢韺W家已提出了幾個理論。有人提出口袋模型，如認為質子是一只受真空擠壓的口袋，可將夸克束縛住而逃不出來;有人提出了弦理論，認為夸克綁在弦的兩端，而這條弦卻難以斷裂，即使一旦斷裂，斷裂處生成一對正反夸克，原來的強子碎裂為兩個新的強子，從而自由的夸克從來不可能出現;也有人說，既然膠子帶色荷，膠子之間也會有色磁吸引力，從而色力線被拉緊呈平行狀，就如一個帶電電容器兩板因為有平行的電力線因而彼此有吸引一樣，夸克之間也有類似這種吸引力;格點規范理論的面積定律證明夸克之間有線性禁閉勢存在;90年代中期塞伯和威滕用他們發展的四維空間量子場論證明磁單極凝聚也會導致夸克幽禁。關于夸克幽禁的理論有許多，正好說明了我們對強力的了解還不夠充分。

　　四、 核子結構圖象與核子衰變

　　對介子譜的研究表明，夸克之間除了由于單膠子交換引起的色庫侖力外，還有色禁閉力，其勢是隨距離線性增長的，正如上面所說，雖然不清楚線性禁閉勢的來源，但可以認為正是這個勢導致了夸克幽禁。但是這一觀點也許要受到挑戰。因為用相對論性波動方程解介子能譜，發現在無窮遠處波函數并不收斂至零，而是一個散射解。這意味著我們應探測到游離的夸克，但實際并不如此。那這些散射解是怎么產生的呢?原來禁閉勢在無窮遠處十分巨大，以致擾動真空導致正反夸克產生。實際沒有測到這些產生的夸克，一個原因可能是大距離時夸克的質量也會變得十分巨大，遠遠超過了線性勢，抑制了真空擾動產生正反夸克的能力。夸克質量會隨距離增大而增大，可能可以用真空色電極化(導致真空帶上顏色)來解釋。真空色電極化使得色荷象滾雪球一樣越來越大，夸克能量和質量也相應越來越大，浸在真空中的單一夸克質量巨大，真空沒有足夠的能量產生這些夸克，也許這最終導致了夸克幽禁。

　　對于強子結構，現在對不同的能態用不同的理論模型來描述。基態質子和中子，可以用量子力學的薛定諤方程求解，強子質量主要由夸克承擔;對于處于激發態的共振粒子，弦模型比較成功，該模型認為重子和介子的質量和自旋主要由弦(色力線管)提供;對于更高能的強子激發態，由于真空色電極化十分強大，因而強子質量主要就是色電極化質量，夸克的質量和弦的質量十分微小?，F在對處于不同能態的質子、中子結構還無法用一個統一的理論來描述。

　　上面討論的是質子中子及其共振態的靜態性質，下面談一下它們的衰變問題。原子核內的質子中子是穩定的，但自由的中子是不穩定的，壽命約為11分鐘。中子的質量比質子略大一些，因而可以有足夠的能量衰變為質子，并放出一個電子和一個電子型反中微子。在夸克水平上解釋這一過程，實際上就是：中子內的一個下夸克(帶-1/3e電荷)放出一個傳遞弱相互作用的中間玻色子W- ，自身變成上夸克(帶+2/3e電荷)，W-又衰變為一個電子和一個電子型反中微子。由于質子中子的重子數都為+1，輕子數為0，電子和電子型中微子的重子數為0，輕子數分別為+1和-1，所以這一過程重子數、輕子數都守恒?，F在的粒子物理標準模型(量子電動力學、弱電統一理論、量子色動力學)認為重子數是守恒的，質子已是最輕的重子，所以它不能再衰變為其他重子，它是永恒的。由于人們面遇的物質世界主要就是由重子組成的，所以很容易相信質子是永恒的。但是有一種理論卻預言這種觀念是不對的，質子會衰變成正電子和中性π介子，重子數和輕子數并不絕對守恒。這種理論是大統一理論，它企圖把強、弱、電相互作用統一起來，用一個耦合常數來描寫。大統一理論包含著標準模型，但比標準模型來得更大，因而有更多的傳遞相互作用的規范玻色子。雖然這些規范玻色子是一種超弱場的量子，但質子中的下夸克卻會釋放這種規范玻色子，自身變成正電子，而質子內的一個上夸克吸收這個規范玻色子，變成上夸克的反粒子(反上夸克)，這個反上夸克與質子內的另一個上夸克結合成中性π介子。由于引起這種夸克-輕子轉化的場十分弱，所以質子雖然要衰變，但衰變壽命是很長的，大約為一千萬億億億年，而我們的宇宙壽命也只有幾百億年，所以質子平均壽命比宇宙壽命長十萬億億倍。在你一生當中，你體內的質子只能衰變零點幾個，不必擔心質子衰變會給我們的生活帶來什么不便。質子衰變還只是一個理論預言，實驗的證明還沒有完全結束。

　　前面提到，質子中的點粒子是夸克，實際上它們還包括膠子和不斷產生、湮滅的?？淇?。過去認為質子自旋為1/2，是由三個夸克提供的，而如今的研究卻不能支持這一觀點，質子中的三個夸克的總角動量只占質子自旋的15%，而大部分自旋也許由膠子和?？淇顺袚?。這被稱為"質子自旋危機"，是個熱門課題。

　　五、簡短總結

　　雖然膠子的存在證據也有了，頂夸克存在的證據也在1995年找到了，但是對于強子結構的研究和自由夸克的探索還需走更長遠的路?？淇擞慕母驹虻沟资蔷€性禁閉勢的存在還是色電極化所致，夸克幽禁是暫時的還是永久的，值得繼續研究。如果夸克是永久性禁閉的，強子永遠是無色的，正應了一句話："色即空，空即色。"孰是孰非，有待高能物理及其理論的繼續發展。