強(qiáng)子（粒子物理學(xué)中和量子力學(xué)的概念）
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強(qiáng)子
本詞條是多義詞，共2個(gè)義項(xiàng)
粒子物理學(xué)中和量子力學(xué)的概念
按現(xiàn)代的粒子物理學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)模型理論而言，強(qiáng)子是由夸克、反夸克和膠子組成的。膠子是量子色動(dòng)力學(xué)中的基本粒子，它將夸克連在一起，強(qiáng)子是這些連接的產(chǎn)物。
基本信息
| 中文名 | 強(qiáng)子 |
| 外文名 | Hadron |
| 釋義 | |
| 類型 | 亞原子粒子 |
分類
按其組成夸克的不同，強(qiáng)子還可以分為：
重子(Baryon)：重子由三個(gè)夸克或三個(gè)反夸克組成，它們的自旋總是半數(shù)的，也就是說(shuō)，它們是費(fèi)米子。它們包括人們比較熟悉的組成原子核的質(zhì)子和中子和一般鮮為人知的超子（Hyperon, 比如Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω），這些超子一般比核子重，而且壽命非常短。
介子(Meson)：介子由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成，它們的自旋是整數(shù)的，也就是說(shuō)，它們是玻色子。介子有許多種。在高空射線與地球空氣相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生介子。
其它很稀有和奇怪的強(qiáng)子。
由多于三個(gè)但單數(shù)的夸克或反夸克組成類似重子的強(qiáng)子。
由多于一對(duì)夸克-反夸克對(duì)組成的類似介子的強(qiáng)子。
完全由膠子組成的粒子。
目前發(fā)現(xiàn)的所有強(qiáng)子都滿足蓋爾曼-西島關(guān)系，即
，S是奇異數(shù)，Q是電荷，
是同位旋，B為重子數(shù).
構(gòu)成
強(qiáng)子的構(gòu)成是粒子物理的基本問(wèn)題之一
在樸素夸克模型中，強(qiáng)子由
（介子）和
（重子）構(gòu)成。但是這種簡(jiǎn)單的構(gòu)成正受到來(lái)自實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。無(wú)論是越來(lái)越多的無(wú)法歸類的強(qiáng)子態(tài)，還是具有無(wú)法為樸素夸克模型所容許量子數(shù)的介子的發(fā)現(xiàn)，都暗示有超越樸素夸克模型構(gòu)成的新強(qiáng)子存在。膠球、多夸克態(tài)和混雜子是三種可能的新強(qiáng)子構(gòu)造，它們分別是膠子、多夸克以及夸克與膠子的束縛態(tài)。本文將研究這些新強(qiáng)子的性質(zhì)。首先是所采用的研究方法的介紹，由于我們采用QCD求和規(guī)則作為我們的主要理論框架，因此對(duì)于瞬子物理我們主要采用一種易于使用到QCD求和規(guī)則框架內(nèi)的半唯象方法，即單瞬子近似。
對(duì)于某些特定新強(qiáng)子性質(zhì)的研究。在考慮了直接的瞬子效應(yīng)后，我們?cè)赒CD求和規(guī)則的框架內(nèi)研究了 膠球的質(zhì)量問(wèn)題。結(jié)果顯示在考慮了瞬子效應(yīng)后，膠球的質(zhì)量被大大降低。之后我們考慮瞬子效應(yīng)在標(biāo)量膠球衰變中的作用。我們發(fā)現(xiàn)由于非微擾效應(yīng)，標(biāo)量膠球衰變過(guò)程中 對(duì)稱性是被很好保持的。我們也考慮了標(biāo)量膠球的四夸克衰變與兩夸克衰變寬度之比。與普通介子衰變相比，我們預(yù)言標(biāo)量膠球衰變會(huì)有較大的多強(qiáng)子末態(tài)分支比。首先構(gòu)造了兩個(gè)典型的 分子四夸克態(tài)，利用考慮瞬子效應(yīng)修正后的QCD求和規(guī)則研究它們的質(zhì)量問(wèn)題。我們發(fā)現(xiàn)我們的模型可以在1.4GeV附近容納兩個(gè)不同的 四夸克介子。接著構(gòu)造具有Diquark結(jié)構(gòu)和分子態(tài)結(jié)構(gòu)的四夸克態(tài)，并研究了它們的衰變方式。在已有的 和 混雜子質(zhì)量的求和規(guī)則中考慮直接的瞬子效應(yīng)，研究瞬子在其中所起的作用，并給出較穩(wěn)定的 膠球的質(zhì)量預(yù)言。
1964 年，美國(guó)科學(xué)家蓋爾曼等人提出“夸克模型”。他們認(rèn)為，所有的強(qiáng)子都是由若干種叫做“夸克”的更深層次的粒子組成。西方人將這些粒子稱為“夸克”，中國(guó)人則常常又稱它們?yōu)椤?/span>層子”。顧名思義，層子是相對(duì)電子、質(zhì)子、中子這些基本粒子來(lái)說(shuō)的，它屬于“下一層次的粒子”。蓋爾曼等人認(rèn)為夸克帶“分?jǐn)?shù)電荷”，它們被禁閉在強(qiáng)子內(nèi)部，不能脫離強(qiáng)子自由運(yùn)動(dòng)。
夸克是物質(zhì)分割的極限
因?yàn)榭淇吮唤]在強(qiáng)子內(nèi)部，本身也無(wú)法直接觀察。然而，對(duì)大自然的好奇心，促使人們對(duì)夸克是否還有“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生濃厚的興趣。目前的跡象表明，夸克和輕子可能是由某些更為基本的粒子所組成，夸克和輕子之間具有極大的對(duì)稱性。根據(jù)目前的理論，夸克可分為三代，每代有兩種（不計(jì)反夸克），它們分別是（u,d）、（s, c）和（t,b）。輕子也有三代，每代也有兩種。如此多的粒子表明，即便夸克和輕子，也不可能是物質(zhì)分割的“最小單元”。
但是從1964 年至今，人們還沒(méi)有“看到”過(guò)夸克的真實(shí)面目。在蓋爾曼提出的夸克理論中，他假設(shè)存在三種夸克。他用這三種夸克及它們的反粒子來(lái)說(shuō)明微觀粒子構(gòu)成的模型，取得了很大的成功。但是，由于物理學(xué)家至今還不能使夸克脫離其他微觀粒子而獨(dú)立存在，它只能像犯了錯(cuò)誤而被關(guān)禁閉的士兵那樣，被幽禁在微觀粒子中。所以，“夸克禁閉”成了當(dāng)今粒子物理學(xué)的難題之一，這對(duì)哲學(xué)中關(guān)于物質(zhì)無(wú)限可分的觀點(diǎn)，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)家為了尋找自由夸克，絞盡了腦汁。每當(dāng)一臺(tái)新的高能加速器建成以后，首要的任務(wù)之一就是試圖找到夸克。有的物理學(xué)家把微觀粒子想成一只口袋，夸克永遠(yuǎn)被裹在這只口袋里——在這口袋的小范圍內(nèi)，它可以自由飛翔，但決不許脫離這個(gè)口袋。就是這個(gè)神秘的口袋，似乎要把夸克同外界永遠(yuǎn)隔離開(kāi)來(lái)。也有的物理學(xué)家把微觀設(shè)想成一口半徑很小又很深的“井”，夸克過(guò)的就是這種“坐‘井’觀天”的生活。在“井”里它們都相當(dāng)自由，運(yùn)動(dòng)速度也不快，可就是跑不出去。人們必須提供極大的能量，才能把它從“井”底拉出來(lái)。但是目前人們還沒(méi)有辦法產(chǎn)生這么大的能量，使夸克獲得“解放”。
既然不能直接找到自由夸克，一些物理學(xué)家就改變了策略，企圖間接地搜尋它。因?yàn)楦鶕?jù)理論推測(cè)，夸克帶有所謂的“分?jǐn)?shù)電荷”，這使物理學(xué)家看到了一線希望。他們認(rèn)為只要找到了“分?jǐn)?shù)電荷”的攜帶者，那也許它就是夸克的化身了。因此物理學(xué)家在粒子加速器、隕石、月球、地下深井和海底等許多地方“張羅織網(wǎng)”，到處尋找具有“分?jǐn)?shù)電荷”的粒子。
目前探測(cè)夸克結(jié)構(gòu)和輕子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)都在進(jìn)行中，但未取得進(jìn)展。考慮到原子和原子核的線度相差10 萬(wàn)倍，因而可以預(yù)言夸克的結(jié)構(gòu)最多只能在10米的尺度上顯示出來(lái)；但目前的實(shí)驗(yàn)只能探測(cè)到10米的線度，因而夸克究竟是否有“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”，至今還是一個(gè)謎。
層子模型
強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的層子模型
是在1965年9月到1966年6月之間完成的。當(dāng)時(shí)的研究背景是這樣的：在電子、質(zhì)子、中子發(fā)現(xiàn)之后，人們普遍認(rèn)為它們是構(gòu)成物質(zhì)的終極單元，稱之為“基本粒子”。隨著介子和超子在20世紀(jì)40到50年代的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，基本粒子的家族迅速擴(kuò)大，這些粒子絕大部分是強(qiáng)作用粒子，簡(jiǎn)稱強(qiáng)子。很難想像這么多的強(qiáng)子都是基本粒子。1955年日本物理學(xué)家坂田提出了一個(gè)結(jié)構(gòu)模型：強(qiáng)子中只有質(zhì)子、中子和超子三種是基礎(chǔ)的粒子，由它們構(gòu)成其他所有的強(qiáng)子。坂田模型存在一系列困難，但是所提出的強(qiáng)子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的思想是正確的。1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼改造了坂田模型，提出了“夸克模型”，認(rèn)為強(qiáng)子是由三種具有SU(3)對(duì)稱性的組分構(gòu)成的，他把這些組分稱為夸克。
到了1965年，基本粒子表中粒子的數(shù)目已經(jīng)可以與周期表中元素的數(shù)目相比，其中重子的自旋可以高達(dá)
，并且實(shí)驗(yàn)上關(guān)于核子的電磁形狀因子的測(cè)量說(shuō)明以前被認(rèn)為是基本粒子的核子具有一定的大小和空間結(jié)構(gòu)。這些事實(shí)說(shuō)明了兩點(diǎn)，一是“基本粒子”并不基本，二是強(qiáng)子有著內(nèi)部結(jié)構(gòu)。坂田模型和夸克模型都是關(guān)于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)想，有待于進(jìn)一步發(fā)展為強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的科學(xué)理論。但是在當(dāng)時(shí)發(fā)展強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的理論有困難，因?yàn)椴恢涝趶?qiáng)子內(nèi)部是否有新的力學(xué)規(guī)律在起作用，不知道強(qiáng)相互作用的具體形式，不知道處理強(qiáng)相互作用的數(shù)學(xué)方法，所以在結(jié)構(gòu)模型中還只限于討論由對(duì)稱性能夠得出的強(qiáng)子分類、新粒子預(yù)言和諸如質(zhì)量、自旋、電荷、磁矩等靜態(tài)性質(zhì)。進(jìn)一步的發(fā)展必須超出對(duì)稱性的范疇，引入動(dòng)力學(xué)起作用的因素。
在當(dāng)時(shí)已知的最高能量下，物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明量子數(shù)、本征值、幾率波這些概念仍然有效，也就是說(shuō)在強(qiáng)子內(nèi)部的小尺度范圍中，用波函數(shù)描述狀態(tài)、用算符描述物理量的基本概念和方法仍然有效。于是他提出引入強(qiáng)子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)波函數(shù)來(lái)描述強(qiáng)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，至于決定波函數(shù)的力學(xué)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)方程等則留待以后去討論，一些嚴(yán)格的物理要求如相對(duì)論洛倫茲協(xié)變性和內(nèi)部對(duì)稱性等已經(jīng)大大限制了波函數(shù)可能具有的形式。強(qiáng)子的組成及遵從的對(duì)稱性是否取夸克模型或坂田模型的其他變種，所以后來(lái)按錢三強(qiáng)的建議把強(qiáng)子的組分粒子稱為“層子”，表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)許多層次中的一個(gè)層次的意思。在引入波函數(shù)以描述運(yùn)動(dòng)著的強(qiáng)子時(shí)，他認(rèn)為應(yīng)當(dāng)區(qū)分描述內(nèi)部運(yùn)動(dòng)和整體運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)概念。通過(guò)對(duì)已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，他提出層子在強(qiáng)子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速，是非相對(duì)論性的，雖然強(qiáng)子的整體運(yùn)動(dòng)可以是相對(duì)論性的。
這樣，可以在強(qiáng)子的靜止坐標(biāo)系中定出非相對(duì)論性的結(jié)構(gòu)波函數(shù)，然后通過(guò)洛倫茲變換得到作自由運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)子的波函數(shù)。在討論強(qiáng)子發(fā)生轉(zhuǎn)化的過(guò)程時(shí)，朱洪元引入始態(tài)和終態(tài)強(qiáng)子結(jié)構(gòu)波函數(shù)的重疊積分的概念和具有特定的對(duì)稱性的強(qiáng)子構(gòu)成組分（層子之間的相互作用來(lái)計(jì)算躍遷矩陣元，用以統(tǒng)一地描述一系列強(qiáng)子的轉(zhuǎn)化過(guò)程。在這些概念和方法的基礎(chǔ)上，由錢三強(qiáng)大力支持，朱洪元領(lǐng)導(dǎo)的粒子理論研究集體系統(tǒng)地研究了強(qiáng)子的力學(xué)、電磁及幾何等靜態(tài)性質(zhì)，以及強(qiáng)子的電磁衰變、弱衰變、強(qiáng)衰變等動(dòng)態(tài)過(guò)程。在九個(gè)月里，他們發(fā)表了46篇科學(xué)論文，得到了一系列理論結(jié)果，其中許多和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。有一些當(dāng)時(shí)沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在后來(lái)才得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。也有一些理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不合，有待后來(lái)的實(shí)驗(yàn)和理論工作的新進(jìn)展來(lái)解決。
“層子模型”是強(qiáng)子結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要開(kāi)拓，它是在層子之間的動(dòng)力學(xué)理論提出來(lái)之前的一個(gè)方向性的系統(tǒng)工作。這個(gè)理論中提出的強(qiáng)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)波函數(shù)和波函數(shù)的重疊積分的概念沿用至今，隨著層子間強(qiáng)相互作用的動(dòng)力學(xué)理論的建立，它們?cè)絹?lái)越細(xì)致地被確定下來(lái)。在1966年北京亞太科學(xué)討論會(huì)上，巴基斯坦諾貝爾物理學(xué)得主薩拉姆高度評(píng)價(jià)了這項(xiàng)工作。很可惜，朱洪元和中國(guó)粒子物理學(xué)家在理論上一個(gè)很好的開(kāi)頭被隨后十年的大破壞所打斷。
相關(guān)觀點(diǎn)
核子（強(qiáng)子）是夸克、膠子的束縛態(tài)，由量子色動(dòng)力學(xué)QCD描述。由于QCD的基本特性（高能標(biāo)度下的漸近自由、低能標(biāo)度下色禁閉及動(dòng)力學(xué)手征對(duì)稱性破缺），對(duì)核子（強(qiáng)子）結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的QCD圖象是標(biāo)度相關(guān)的，在高能標(biāo)度下描述強(qiáng)子的是與探測(cè)強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的硬過(guò)程相聯(lián)系的QCD部分子模型，強(qiáng)子的夸克、膠子結(jié)構(gòu)信息通過(guò)QCD部分求和規(guī)則得到，QCD微擾論是適用的理論，在低能標(biāo)度時(shí)，必須發(fā)展QCD非微擾途徑來(lái)描述核子（強(qiáng)子）。
雖然夸克模型當(dāng)時(shí)取得了許多成功，但也遇到了一些麻煩，如重子的夸克結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，像
和
這樣的重子可以由三個(gè)相同夸克組成，且都處于基態(tài)，自旋方向相同，這種在同一能級(jí)上存在有三個(gè)全同粒子的現(xiàn)象是違反泡利不相容原理的。泡利不相容原理說(shuō)的是兩個(gè)費(fèi)米子是不能處于相同的狀態(tài)中的。
夸克的自旋為半整數(shù)，是費(fèi)米子，當(dāng)然是不能違反泡利原理的。但物理學(xué)家自有辦法，你不是說(shuō)三個(gè)夸克全同嗎？那我給它們來(lái)個(gè)編號(hào)或著上“顏色”（紅、黃、藍(lán)），那三個(gè)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(dāng)然這里的“顏色”并不是視覺(jué)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(lái)，每味夸克就有三種顏色，夸克的種類一下子由原來(lái)的6種擴(kuò)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(yīng)的中微子）、規(guī)范粒子（如光子、三個(gè)傳遞控制夸克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、八個(gè)傳遞強(qiáng)（色）相互作用的膠子）一起組成了大千世界。夸克具有顏色自由度的 理論得到了不少實(shí)驗(yàn)的支持，在70年代發(fā)展成為強(qiáng)相互作用的重要理論——量子色動(dòng)力學(xué)。
1964年，美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼和G·茨威格各自獨(dú)立提出了中子、質(zhì)子這一類強(qiáng)子是由更基本的單元——Quark組成的。它們具有分?jǐn)?shù)電荷，是基本電量的
或
倍，自旋為
?？淇艘辉~是蓋爾曼取自詹姆斯·喬埃斯的小說(shuō)《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬克檢閱者王，三聲夸克（Three quarks for Muster Mark）”。夸克在該書(shū)中具有多種含義，其中之一是一種海鳥(niǎo)的叫聲。他認(rèn)為，這適合他最初認(rèn)為“基本粒子不基本、基本電荷非整數(shù)”的奇特想法，同時(shí)他也指出這只是一個(gè)笑話，這是對(duì)矯飾的科學(xué)語(yǔ)言的反抗。另外，也可能是出于他對(duì)鳥(niǎo)類的喜愛(ài)。
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夏佩爾夏佩爾，1928年出生，1957年獲哈佛大學(xué)哲學(xué)博士。1957—1960年任教于俄亥俄州立大學(xué)，1960—1972年任教于芝加哥大學(xué)，1972—1975年任教于伊利諾斯大學(xué)，1975年任教于馬里蘭大學(xué)。1983年任該校科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)委員會(huì)主任。美國(guó)文學(xué)與科學(xué)院院士。新歷史主義學(xué)派的代表人物。
尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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