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说完电子,该到质量的核心体质子,中子了。现代理论认为这些强子是由不同夸克组成。在芬尼根的守灵夜里黑色剥开了光明的意义(three quarks for muster mark)。先简要陈述一下现代理论对夸克的一些认识,这些可以作为已发现的我们日常经验而用于分析

夸克有六种,种类被称为“味”,它们是上、下、粲、奇、底及顶。每一种都有一种对应的反粒子,叫反夸克,反夸克跟对应的夸克有着相同的质量、平均寿命及自旋,但两者的电荷及其他荷的正负则相反。上、粲及顶夸克(这三种叫“上型夸克”)的电荷为23,而下、奇及底夸克(这三种叫“下型夸克”)的则为13。反夸克与其所对应的夸克电荷相反。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的也是最稳定的。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。较重的夸克通过宇宙中高能或人工高能下制造,但极不稳定,会通过粒子衰变的过程变成上或下夸克。夸克拥有色荷,因此它们会参与强相互作用。因为这种夸克间吸引力的关系,而形成的复合粒子,叫做“强子”。现代理论模型认为在强子中决定量子数的夸克叫“价夸克”;除价夸克,任何强子都可以含有无限量的虚夸克、反夸克,及不影响其量子数的胶子。强子分两种:带三个价夸克的重子如中子质子,及带一个价夸克和一个反价夸克的介子。夸克的自旋为2,它们是费米子。遵守泡利不相容原理。在已发现的基本费米子被分成三代,每一代由两种轻子和两种夸克组成。第一代有上及下夸克,第二代有奇及粲夸克,而第三代则有顶及底夸克。代数较高的粒子,一般会有较大的质量及较低的稳定性,于是它们会通过弱相互作用,衰变成代数较低的粒子。在自然中,只有第一代夸克(上及下)是常见的。较重的夸克只能通过高能碰撞来生成,而且它们很快就会衰变。

目前科学界认为夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用:电磁、引力、强相互作用及弱相互作用的粒子。同时拥有电荷、质量、色荷及味。

夸克通过弱相互作用,可由一种味转变成另一种味,任何上型的夸克(上、粲及顶夸克),都可以通过吸收或释放一w玻色子,而变成下型的夸克(下、奇及底夸克),反之亦然。这种机制正是导致β衰变这种放射过程的原因,在β衰变中,一中子“分裂”成一质子、一电子及一反电子中微子。在β衰变发生时,中子内的一下夸克在释放一虚w玻色子后,随即衰变成一上夸克,于是中子就变成了质子随后w玻色子衰变成一电子及一反电子中微子。变味过每一种夸克都偏向于变成跟自己同一代的另一夸克。

夸克还有一种叫“色荷”的性质。色荷共分三种,可任意标示为“蓝”、“绿”及“红”每一种色荷都有其对应的反色荷——“反蓝”、“反绿”及“反红”。每一个夸克都带一种色,而每一个反夸克则带一种反色。掌管夸克间吸引及排斥的系统,是由三种色的各种不同组合所负责,叫强相互作用,现代理论认为它是由一种叫胶子的玻色子所传递的;描述强相互作用的理论叫量子色动力学。一个带某色荷的夸克,可以和一个带对应反色荷的反夸克,一起生成一束缚系统;三个(反)色荷各异的(反)夸克,也就是三种色每种一个,同样也可以束缚在一起。两个互相吸引的夸克会达至色中性:一夸克带色荷ξ,加上一个带色荷ξ的反夸克,结合后色荷为零(或“白”色),成为一个介子。跟基本光学的颜色叠加一样,把三个色荷互不相同的夸克或三个这样的反夸克组合在一起,就会同样地得到“白”的色荷,成为一个重子或反重子。

在现代粒子物理学中,联系粒子相互作用的,是一种叫规范对称的空间对称群,物理学定律不受空间的方向所限,即使坐标轴旋转到一个新方向,定律依然不变,量子色动力学的物理也一样,不受三维色空间的方向影响,色空间的三个方向分别为蓝、红和绿。色变与色空间的“旋转”相对应(数学上,色空间是复数空间)。每一种夸克味,f,下面都有三种小分类fb、fg和fr,对应三种夸克色蓝、绿和红,形成一个三重态。

提及夸克质量时,一个是“净夸克质量”,也就是夸克本身的质量;另一个是“组夸克质量”,也就是净夸克质量加上其周围胶子场的质量。这两个质量的数值一般相差甚远。一个强子中的大部份的质量,都属于把夸克束缚起来的胶子,而不是夸克本身。尽管认为胶子的内在质量为零,它们拥有能量——更准确地,应为量子色动力学束缚能,就是它为强子提供了这么多的质量。例如,一个质子的质量约为938 mev/c2,其中三个价夸克大概只有11 mev/c2;其余大部份质量都可以归咎于胶子的能质。

现代的模型假定所有基本粒子的质量,都是来自希格斯机制,而这个机制跟发现的希格斯玻色子有关系。顶夸克有着很大的质量,一个顶夸克大约跟一个金原子核一样重,为什么顶夸克的质量那么大,目前物理学家希望能找到更多有关于夸克,及其他基本粒子的质量来源之谜。

以上是现代理论对夸克现象的大致描述。当古希腊提出原子说后,人们一度逼近认为终找到了基本粒子。但卢瑟福原子核轰击实验后,跑出了一大堆基本粒子,微小世界不是在收敛而是在扩张。

(本章完)

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