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胶子在夸克间是怎样传递强力的?为何理论上存在五夸克态的粒子?

对宇宙来说,存在什么样的物质固然重要。但是如果只有物质的存在,而它们并不会与自身或者对方发生互动,那么宇宙也会是一片死寂。事实情况并非如此,据我们所知,宇宙中有四种基本力,在这四种基本力的作用下,宇宙呈现出了物质状态的丰富性和多样性。下面就先说一下引力和电磁力为强力做下铺垫,然后在解释胶子是如何传递强力的,以及胶子的类型,为何在理论上允许四夸克和五夸克态的粒子存在。


引力的传递

这四种力中有些是我们熟悉的,比如万有引力。在宇宙的最大尺度上,引力不仅是最重要的力,而且可以说是唯一发挥作用的力,是宇宙大小尺度结构形成必不可少的一种力。

引力的产生是物体固有的质量和能量决定了时空本身是如何弯曲的,而时空的曲率又决定了物体是如何运动和加速的,这就是引力的本质。


宇宙中目前没有发现“反质量”或“反能量”导致一些特定的物体被引力排斥而另一些物体被引力吸引。也就是说引力的本质总是具有吸引力,我们可以把质量/能量解释为单独的引力电荷。

电磁力的传递

相对于引力来说,其它的力和相互作用可能更为复杂。以电磁力为例,通过观察带电粒子。我们发现有两种电荷,一种是正电荷,另一种是负电荷,同性相斥,异性相吸。

例如,中性原子就是电磁学中一个很好的例子,其中带正电荷的原子核被一群带负电荷的电子环绕。电子相互排斥,但电子都被带正电的原子核吸引。只要原子的总电荷为零,并且外部没有足够强的辐射能量,原子就会保持稳定和中性。

我们在基本的量子层面上已经理解了原子是如何工作和保持稳定的。所有带电粒子之间的相互吸引和相互排斥都是由光子作为介导传递电磁力的。


所以电磁力只需要一个粒子就能同时处理引力和斥力。如果我们进入原子核内部,在基本层面上,这些微小的带电结构是如何结合在一起的?

夸克的组合形式,为什么允许四夸克态和五夸克态的存在


原子核是由质子和中子组成的,除了氢核本身就只有一个质子。但鉴于质子带正电荷而中子根本不带电荷,肯定存在某种额外的力,一种比电磁力更强的力来把核子连在一起。

事实上,即使是单个质子和中子本身,也需要被称为“强力”的力来将更加微小的结构结合在一起。因为质子和中子本身不是基本粒子,而是复合粒子,是由更小的、带非整数电荷的夸克组成的。


例如,如果没有另一种电荷附着在夸克上,质子内部的电场就会导致原子核本身分裂,另外除了电荷,夸克还具有三种色荷,要想使得夸克稳定的结合在一起,必须使夸克的色荷呈中性(无色)!

所以就需要至少把红、绿、蓝三种颜色的电荷加在一起才算中性“无色”,就像红、绿、蓝三种颜色的光加在一起才算白色一样。

跟物质和反物质一样,夸克也有反夸克,所以有颜色(红色、绿色和蓝色)和反色(反红色是青色,反绿色是红色,反蓝色是黄色)。为了让色荷加起来是无色的,要么需要三个夸克或者三个反夸克组合在一起,要么是一个夸克和一个反夸克的组合。


如果红色+绿色+蓝色变成白色,但红色+反红色也变成白色,这是否意味着绿色+蓝色等同于反红色?是的,至少在颜色上是这样。这意味着我们可以把一个夸克和另外两个夸克配对,或者和一个反夸克配对,或者跟另外三个夸克和一个反夸克配对,或者是两个反夸克对进行配对!只要颜色是白色(或无色)就行。

这就是为什么可以有三个夸克的组合,比如质子和中子,或者一个夸克和一个反夸克的组合,比如介子。而且还允许更多夸克的组合形式,只要保证夸克的色荷呈中性就行!

胶子的种类有哪些,以及胶子是如何传递强力的

扭曲时空的引力或交换光子(不带电荷)的电磁力不同,强力是通过交换一种新型粒子胶子来起作用的,这种粒子既带有一种颜色,也带有一种反颜色!

胶子负责将单个粒子(如质子、中子和介子)结合在一起,并将较大的原子核结合在一起。


这是怎么发生的?

有了三种颜色(红、绿、蓝)和三种反色(反红=青色、反绿=红、反蓝=黄),那么将这六种颜色进行配对是不是就可以得到九种类型的胶子?并不是!

假设一个红色夸克,就会发出一个红/反绿胶子。红色夸克就会变成绿色夸克,因为颜色是守恒的,这个胶子就会找到一个绿色夸克,把它变成红色夸克。在这种情况下,夸克的颜色可以互换。


这就很好地解释了六种胶子:红/反绿,红/反蓝,绿/反红,绿/反蓝,蓝/反红,蓝/反绿。

但是其他颜色呢:应该也有红色/反红色、绿色/反绿色和蓝色/反蓝色?

事实证明,剩下的这三种每一个都没有固有的颜色,这些量子态被混合在一起。所以我们得到了红/反红、绿/反绿和蓝/反蓝状态的混合物。下图:


但是其中一种三种颜色/反色对的混合物是真正无色的,并且不存在。所以物理上只有8种类型的胶子。

正是这些胶子在夸克和反夸克之间的交换使得质子,中子,介子,重子,和所有其他原子核保持在一起。如果没有强力,宇宙只是一片基本粒子的死海。

然而,我们真实的宇宙远不止是一个宇宙汤,我们有星系、恒星、行星、重元素、分子、生命,还有你和我。

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