为什么只有8个胶子？

资深撰稿人 Ethan Siegel
资深撰稿人 Starts With A Bang撰稿人小组
Nov 18, 2020,02:00am EST

Science

        《福布斯》撰稿人表达的意见是他们自己的。

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从一声爆炸开始

        宇宙就在那里等待你来发现它。

三个夸克 （RGB） 或三个无色的反夸克 （CMY） 的组合是夸克/反夸克对的适当的组合。保持这些实体稳定的胶子交换是相当复杂的，但需要八个，而不是九个胶子。MASCHEN / WIKIMEDIA COMMONS

    宇宙最令人费解的特征之一是强大的核力，在每个质子或中子一样粒子内有三个夸克，每个夸克都有它自己的颜色。这三种颜色结合加起来是一个无色的组合，这个宇宙似乎是一个要求。你能要么有三个夸克、三个反夸克（有相应的反色）或一个夸克-反夸克组合：有抵消掉的反色颜色。更最近，四夸克（两个夸克和两个反夸克）五夸克（四夸克和一个反夸克）已经被发现也产生无色的量子态。

    但尽管自然界中允许了有三种颜色和三种反色的事实，但调解强力的粒子------胶子------只以八种来。你可能会认为你能梦想的每一个颜色反颜色的组合将被允许给我们九个，但我们的物理宇宙用不同的规则玩的。这里是为什么我们只有八个胶子的令人难以置信的和令人惊讶的物理。

今天，费曼图被用于计算跨强、弱和电磁力包括在高能和低温/凝聚条件下每一个基本相互作用。这里所示的电磁相互作用全都被一个单一的携带力粒子光子控制。DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738-756

    在物理学中，只有几个基本力，每个力都被它们自身的规则规制。在引力中，只有一种荷：质量/能量，它总是吸引的。你能有多少质量/能量没有上限，因为你能做的最坏的事情是来创造一个黑洞，它仍然符合我们的引力理论。每个能量的量子------不管它有一个静止质量（如一个电子）或没有（如一个光子）------弯曲空间的织造，造成我们感知为引力的现象。如果引力原来是性质上是量子的，只有一个量子粒子即引力子需要来携带引力。

    电磁学，另一种在宏观尺度上容易出现的基本力给了我们一点更多的种类。不是一种类型的荷，而是有两种：正电荷和负电荷。一样的电荷排斥，相反的电荷吸引。虽然支撑电磁学的物理原理比支撑引力的物理学在细节上非常不同，但它的结构仍然以同样的引力是的方式直接的。你能有任何量的自由电荷，没有任何限制，并且只有一个粒子（光子）要求来调解所有可能的电磁相互作用。

夸克和反夸克，与强核力相互作用，有对应于红色、绿色和蓝色（夸克）和青色、品红色和黄色（对反夸克）的色荷。任何红色 + 绿色 + 蓝色、青色 + 黄色 + 品红色的无色组合或适当的颜色 / 反色组合在强力的规则下都被允许。ATHABASCA UNIVERSITY / WIKIMEDIA COMMONS

    但当我们继续观察强核力时，规则就变得根本不同了。而不是一种类型的荷（引力）甚至两种（电磁），而是对强核力有三个基本的被称为色的荷，此外，颜色比其它力服从不同的规则。它们包括以下：

·                                 你不能有一个任何类型的净荷;仅"无色"状态被允许

·                                 一个色加上它的反色是无色，此外，所有三种独特的颜色（或反色）加在一起是无色

·                                 每个夸克包含一个一种颜色的净色荷，每个反夸克都有一个分配给它的反色。

·                                 唯一有一个颜色的标准模型粒子是胶子：夸克交换胶子，这就是它们怎样形成绑定状态的。

虽然这些是非常不同于引力和电磁的一些复杂的规则，但它们实际上帮助我们理解单个粒子像质子和中子等怎样被把持在一起的。

 随着更好的实验和理论计算已经出来，我们的质子的理解变得更加复杂，与胶子、海夸克和轨道相互作用进来玩的。然而，有三种不同颜色的三个价夸克的基本想法已经保持一个恒定的。Brookhaven National Laboratory

    首先，质子和中子本身------以及其它像它们一样的粒子叫做重子------必须由三个夸克组成，每个夸克都有一个不同的颜色。对于每个如质子或中子的粒子有一个反粒子对应物，由三个反夸克组成，每个反夸克都包含一个不同的反色。每个在时间中时刻存在的组合一定是无色的，这意味着对夸克的一种红色、一种绿色和一种蓝色，对反夸克的一个青色（反红色）、一个品红色（反绿色）、一个黄色（反蓝色）反色。

    像所有被一个量子场理论规制的粒子一样，强核力工作的样子是通过这些粒子的交换。然而，与引力或电磁学不同，强核力背后的理论结构要更复杂一些。虽然引力本身不会改变所涉及的粒子的质量/能量和电磁学不会改变彼此吸引或排斥的粒子的电荷，但夸克（或反夸克）的颜色（或反色）在每次强核力发生时变化。

强力像它做的一样运作， 因为'色荷'和胶子交换的存在是对将原子核把持在一起的力负责的。一个胶子一定由一个色/反色组合构成以便强力按它必须和做的一样行为。在这里，对一个单个中子内的夸克胶子的交换进行了描画。WIKIMEDIA COMMONS USER QASHQAIILOVE

    我们可视化这一点的方式是通过胶子的交换。每个胶子将被一个夸克（或反夸克）发射并被另一个夸克（或反夸克）吸收，这是电磁学遵循的同样的规则：每个光子被一个带电粒子发射并被另一个吸收。光子是携带力的调和电磁力的粒子，胶子是调解强核力的粒子。

    你可以马上想象有九个胶子是可能的：一个对每个颜色反颜色组合是可能的。真的，这是几乎每个人都期望的，遵循一些非常简单的逻辑。有三种可能的颜色，三种可能的反色，每个可能的颜色反颜色组合代表胶子的一个。如果你将质子内部发生的情况如下可视化：

·                                 一个夸克发射一个胶子，改变它的颜色，

·                                 然后那个胶子被另一个夸克吸收，改变它的颜色，

你会得到一个很好的正在与六个可能的胶子发生的图片。

虽然胶子通常被可视化为弹簧，但重要的是要认识到它们随它们携带色荷：一个颜色-反色组合，能够改变发射或吸收它们的夸克和反夸克的颜色，规制这种交互作用的量子规则可能是很复杂的，但这些规则不能被打破。APS/Alan Stonebraker

    如果在你的质子内部，你有三个胶子------一个红色、一个绿色、一个蓝色，总和成无色------那么很明显下面六个胶子交换会发生。

1.     红色夸克可以发射一个红色反蓝色胶子，将它变成蓝色和蓝色夸克变成红色，

2.     一个红色-反绿色胶子变成绿色同时将绿色夸克变成红色，

3.     或者蓝色夸克可以发射一个蓝色反红色胶子，将它变为红色和红色夸克变蓝，

4.     一个蓝色-反绿色胶子将它变为绿色同时绿色夸克变蓝

5.     绿色夸克可以发射一个绿色反红胶子，将它变红和红色夸克变绿，

6.     一个绿色反蓝色胶子，将它变成蓝色和蓝色夸克变成绿色。

这照顾六个"容易"的胶子。但关于其它的呢？毕竟，你也不指望有一个红色反红色、一个绿色反绿色和一个蓝色反蓝色胶子吗？

单个质子和中子可能是无色实体，但在它们中的夸克是有色的。胶子不仅能被在质子或中子内单个胶子之间交换，而且能被在质子和中子之间组合中，导致核结合。然而，每一个单个交换都必须遵守量子规则的完整套件。WIKIMEDIA COMMONS USER MANISHEARTH

    不幸的是，没有。让我们说你做到了：让我们说你有一个红色反红胶子。一个红色夸克会发射它，保持红色。但哪个夸克会来吸收它呢？绿色夸克不能，因为没有"一个反绿色"部分来抵消它并把它变成无色，因此它能从胶子拿起红色。同样，蓝色夸克不能，因为在胶子中没有"反蓝色"。

    这意味着只有六个胶子而其它三个不能物理上存在吗？

    不完全是这样。虽然你不能有一个纯粹的"红反红"或"绿反绿"，但你能有一个部分红色反红色、部分绿色反绿色的混合状态，甚至部分蓝色反蓝色。这是因为在量子物理学中，有相同量子态的粒子（或粒子组合）都混合在一起的，这是不可避免的。正如中性Л介子是一个上反上和下反下夸克的组合一样，其它允许的胶子是红反红、绿反绿色和蓝反蓝的组合。

一个有它的适当对应反夸克 （CMY）的夸克 （RGB）的组合始终确保M介子表示是无色的。除了你能有六种颜色（不同）-反颜色组合胶子，，有两个（但不是三个）另外的是允许的。ARMY1987 / TIMOTHYRIAS OF WIKIMEDIA COMMONS

    但是也没有三个的它们。关键的原因是这个：因为强力的特定属性有一个更多的约束。无论你有单一颜色的一个颜色反色组合，你需要一个不同颜色的负色反色组合才能拥有一个真正的胶子。

    让我们用一个例子来向你展示这看起来像什么。例如你想要一个既有红色反红色特性又有蓝色反蓝色属性的胶子。（实际的颜色选择本身是任意的）。你能这样做，但你需要的组合是：

    [红-反红（red-antired) -蓝-反蓝（blue-antiblue)]/√(2),

    这有一个负号在那里。现在，你要另一个胶子，但它必须独立于你已经使用的组合。没关系，我们能写下来！它看起来像：

    [红-反红(red-antired) + 蓝-反蓝blue-antiblue) - 2*(绿-反绿（green-antigreen)]/√(6).

    有没有第三个我们能写下独立于这两个组合的组合？

当你有三种是可能的和无色的颜色/反色组合时它们将一起混合，产生两种"真实"在各种颜色/反色组合之间是不对称的胶子和一种是完全对称的。只有两种反对称组合造成真正的粒子。E. SIEGEL

    嗯，是的，但它违反了我们刚才谈论关于其他重要规则的。你可以写下以下形式的第三个胶子：

    [红-反红 (red-antired) + 蓝-反蓝(blue-antiblue) +绿-反绿(green-antigreen)]/√(3),

    它独立于前两个组合的。换句话说，如果这是允许的，我们将有第九胶子！但是，正如你可能已经猜到的毕竟事实并非如此。所有颜色反色成分都是正的，负的色反色组合不存在， 这对应于这个假设的胶子不是物理的。对三种可能的颜色反色组合，你只能有两个独立的它们中有负号的配置，第三个将总是正的。

    在群理论术语中（对于那些物理或数学方面足够先进的），胶子矩阵是无踪迹的，这是单一组 U（3） 和特殊单一组 SU（3） 之间的差异。如果强力被U（3）而不是SU（3）规制，将会有一个额外的、无质量的、完全无色的胶子，一种像一个第二个光子一样行为的粒子！不幸的是，我们的宇宙中只有一种光子，实验上教导我们只有8个胶子，而不是你所期望的9个胶子。

标准模型的粒子和反粒子被预测作为一个物理学的法则的结果存在。虽然我们把夸克、反夸克和胶子描绘成有颜色或反色，但这只是一个类比。实际的科学甚至更迷人。E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

    夸克和反夸克有三种颜色和三种反色，正是这些颜色反色粒子的组合胶子调谐它们之间的强核力。六个胶子是直接的，有一个颜色反色组合，有一个来自问题中颜色不同的颜色-反色组合。另外两种是颜色-反色与彼此的混合和一个它们之间的负号。唯一另外允许的组合是无色并且不能满足是一个物理粒子所需的标准。结果是只有 8 个。

    值得注意的是标准模型被群论的数学描述得如此好，强力完美的与数学的这一特定分支的预测一致。与引力（只有一种有吸引力的正荷）或电磁（有吸引或排斥的正负电荷）不同，色荷的属性要远更复杂是完全可以理解的。刚好有八个胶子，我们能把跨越整个宇宙的夸克和反夸克的每一个物理上可能的组合把持在一起。

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    我（Ethan Siegel）是一名哲学博士、天体物理学家、作家和科学传播者，在各学院教授物理学和天文学。我已经赢得了许多科学写作奖…

 

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/11/18/why-are-there-only-8-gluons/?sh=4e16f417ad8d