夸克：从“永久禁闭”到“渐近自由”，本文主要内容关键词为：夸克论文,渐近论文,自由论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理学基本理论的建立是一个艰苦的、需要长期积累的过程，它需要动用科学家各种类型的思维方法，需要相互合作、多方探索方可取得突破。而正确的理论一旦建立，常会出人意料地把许多表面上看起来互不相干的现象联系起来，发挥理论的指导作用，带动物理学、其他自然科学乃至技术科学的发展。
20世纪物理学发生了两次重要革命：相对论和量子力学。这些开创性研究的最基本目的是寻求自然界物质运动的统一规律。从物理学诞生之日始，这一目的就没有改变过。牛顿的引力论和物体运动的力学规律将天体的运动与日常生活中常常见到的诸如苹果落地的运动统一起来；麦克斯韦的电磁理论又将电与磁两类不同的现象统一起来；爱因斯坦花费了他的后半生寻求引力与电磁相互作用的统一理论，但没有成功。电磁相互作用与弱相互作用的统一理论是20世纪末提出的，由此给出的粒子物理中标准模型是最成功的理论。然而，距离爱因斯坦的理想还有很长的距离。
如今，人们已经发现了许多基本粒子，这些基本粒子是构成物质世界的基石。但是，基本粒子真的就是“基本”的吗？难道它们就不可再分吗？近40年来大量实验事实表明，至少有一种名为强子的基本粒子是有内部结构的。
1964年，著名的美国科学家盖尔曼（M.GellMann）提出了夸克模型（quark model），认为介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由三个夸克组成。他因此获1969年诺贝尔物理学奖。此后，在这方面的研究一直是物理学的顶尖研究课题。我们从以下的诺贝尔物理学奖得主可以看出。
1990年，物理学家弗里德曼（Jerome.I.Friedman）、肯德尔（Henry W.Kendall）和泰勒（Richard Taylor）因在粒子物理学夸克模型发展中的先驱性工作（即对电子与质子及束缚中子深度非弹性散射进行的先驱性研究）而获物理奖。1965年，费曼（Richard P，Feynman）、施温格（Julian S.Schwinga）、朝永振一郎（Sinitiro Tomonaga）因在量子电动力学重整化和计算方法的贡献，对基本粒子物理学产生深远影响而获物理奖。温伯格（Steven Weinberg）和萨拉姆（Abdus L.Salam）等以夸克模型为基础，完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论，他们因此而获1979年诺贝尔物理奖。而在2004年，诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚大学的戴维·格罗斯（David.J.Gross）、加利福尼亚理工学院的戴维·波利茨（H.David.Potizer）和麻省理工学院的弗兰克·威尔茨克（Frank.Wilczek），以表彰他们发现了强相互作用理论中的“渐近自由”现象。
那么，究竟是什么原因使得夸克成为这么多杰出科学家追逐的目标呢？让我们先从“夸克主义”盖尔曼说起。盖尔曼是位天才的理论物理学家，他和爱因斯坦一样，是犹太人。1929年生于纽约一个普通的犹太家庭，14岁上耶鲁大学，22岁在麻省理工学院获得博士学位，25岁成为加州理工学院最年轻的终身教授。
盖尔曼具有深邃的洞察力与旺盛的创造力，他对基本粒子物理学的重要贡献极大地加深了人类对微观世界的了解。在科学问题的争论中，盖尔曼直言表达自己的看法，并不在意别人喜欢不喜欢，他认为有这样一条原则非常重要：“最完美的理论如果与现实世界发生的事物相抵触，就一文不值。”盖尔曼24岁时，就发现了基本粒子的一个新量子数——奇异数，28岁就建立了正确描述的相互作用的V-A理论，32岁提出了强子分类的八正法（相当于一个类型基本粒子的“元素周期表”），在35岁时，他创立了夸克模型。
众所周知，物质是由电子构成的，原子是由原子核和电子构成的，那么质子和中子又是什么构成的呢？这就是夸克。夸克的一个重要特性就是“永久禁闭性”，只是一个形象说法，意思是夸克仿佛被“永久禁闭”在由它构成的基本粒子之中，而不能被单独地提取出来。在通常情况下，夸克总是被约束在质子和中子内部。也许有人要问，既然不能以独立的面貌出现，那么科学家怎么知道它存在呢？因为科学家在实验中发现，在高能状态下，夸克“几乎”是在单独活动，所以，它就被认定并且命名为“夸克”。
那么，2004年诺贝尔物理奖授予三位科学家格罗斯、波利茨和威尔茨克，他们发现的“自由渐近”是怎么回事呢？这要从强作用力说起，强作用力就是原子核内起维系作用的力，它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质子和中子束缚在一起。科学家发现，夸克之间越接近，强作用力就越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力就会非常之弱，以至于它们完全可以作为自由粒子活动，这种现象叫做“渐近自由”，即渐近不缚性。与此相反，当夸克之间的距离越大时，强作用力就越强。这种特性可以比喻成一种橡皮圈，橡皮圈拉得越长，力量就会越大。1973年，这三位科学家通过一个完善的数学模型公布了这一发现。所以，在31年后他们拿到诺贝尔物理学奖可以说是众望所归。
诺贝尔奖评委认为，“渐近自由”这一发现是“夸克世界中的一个多彩发现”。这一发现涉及了很多物理学的基本问题，例如：夸克如何组成我们身边的万物？自然界中存在着哪些力以及它们是怎样相互作用的？等等。
有关夸克的这些发现导致了一个全新的理论，即量子色动力学。在量子色动力学的理论中，物理学家终于能够理解为什么夸克只有在极高能的情况下它才会表现为自由粒子。量子色动力学对标准模型做出了重要贡献。所谓标准模型，是一种物理理论，它描述了与电磁力、强作用力、弱作用力有关的物理现象。也就是说，距离那个伟大的梦想，为引力、电磁力、强作用力、弱作用力构建一个统一的理论，科学家们又前进了一步。