在最根底的水平,实际仅决定于世界的两个特性:组成全部现存事物的量子和它们之前的彼此效果。虽然统领的这些规律看起来十分杂乱,其间的概念极端简略明了。世界由碎散的能量组成,这些能量被捆绑在具有特定特点的量子粒子中。这些粒子依据构成咱们实际的物理规律彼此影响,彼此效果。
有些量子特性操控粒子是否以及如安在特定力下彼此效果。全部事物都具有能量,因而全部事物都受引力的影响。可是,只需具有正确品种电荷的粒子会遭到其他力的影响,由于要使耦合发作,这些电荷是必要的。关于强核力来说,粒子需求色荷才干彼此效果。可是夸克其实没有色彩。接下来所描绘的才是实在发作的事。
图解:人们信任规范模型的粒子和反粒子是物理规律的成果。虽然咱们将夸克、反夸克和胶子描绘成有色彩或许反色的,可是这仅仅一个类比。其间的科学才是更招引人的部分。
虽然咱们或许无法了解全部关于这一现象的常识,但咱们现已发现且揭秘了规范模型的全部粒子以及操控它们彼此效果的四种力——引力、电磁力、弱核力和强核力的性质。但不是每个粒子都会参加每次粒子间的彼此效果,得有正确的电荷才行。
在四种根本力中,每个粒子都具有固定的能量,乃至像光子那样没有质量的粒子。只需你有能量,你就能感遭到引力。而且正能量(或质量)是仅有的一种引力电荷。因而,引力一直是招引力,而且它存在于世界中的全部事物之中。
图解:运用动画来调查在有质量穿过时空时它的反响有助于精确地展现在性质上,时空不仅仅仅仅一张布料。相反,世界中物质和能量的存在和它们的性质曲折了空间自身。比如说,留意怎么重力一直都是招引力的这一现象,由于(正)类型的质量/能量只需一种。(LUCASVB)
电磁学会略微更杂乱一些。不同于只需一品种型的根本电荷,它有两种:正电荷和负电荷。当相同的电荷(正和正或许负与负)彼此效果时,它们彼此排挤,然后当相反的电荷(正和负)彼此效果时,它们彼此招引。
这引出了一个令人兴奋的或许性,即重力不具有能够对外的独自带电物体施加净力去到达捆绑状况的才干。等量的正电荷和负电荷结组成一个体系时会发作一个中性的物体: 一个没有净电荷的物体。自由电荷会施加招引和/或排挤力,可是不带电的体系不会。这是引力和电磁力最大的差异:是否能发明由不是零电荷组成的中性体系。
图解:牛顿的通用引力定理(L)和库伦的静电定理(R)的方法是简直相同的,可是一种vs.两种电荷最主要的差异给电磁学打开了新的充满着或许性的大门。(丹尼斯-尼尔森/ RJB1/ E.西格尔)
假如咱们一同幻想这两种力,你能够把电磁力想成有两个方向,而引力只需一个方向。电荷能够是正的或许是负的,各式各样阴阳离子的结合,阳性阳性、阳性阴性、阴性阳性、阴性阴性使得招引和排挤发作。引力从另一方面来看只需一品种型的电荷,所以它只需一种力:招引力。
虽然有两品种型的电荷,关于电磁的招引和排挤效果来说,一种粒子——光子,就够了。电磁力的结构相关于简略——两种电荷,类似的光子彼此招引,相反的排挤—单个粒子,光子, 能够一同解说电和磁的效应。从理论上来说,一个粒子,即引力子,也能够为引力做相同的工作。
图解:今日,费曼图被用于核算每个跨越强和弱力,和电磁力根底的彼此效果,包含高能和低温/冷凝的状况。这儿所示的电磁彼此效果全部都是由一个带力的粒子,光子,所操控的。(De Carvalho, Vanuildo s.et al.nucl.Phys.B875(2013)738-756)
可是在彻底不同的根底上存在着强力。它与引力和电磁力类似,在某种意义上它与一个新式电荷和新力的或许性联络着。
企图幻想一个原子核,你有必要一同马上认识到强于电力的另一个力也有必要存在,否则由质子和中子组成的原子核会由于电荷排挤而飞散开来。而担任的让原子核待在一同的力被发明性的命名为强核力,作为组成质子和中子的成分——夸克,既带电荷还带有另一种新式电荷:色荷。
图解:类似于QCD动力学,红绿蓝的类比是怎么规范模型外的现象被感念化的方法。这品种比一般比色荷的概念更进一步,例如经过technicolor这样的延伸。(维基百科用户 BB3CXV)
但和你幻想的相反,这些跟色彩其实并没有联络。咱们叫它有色荷的原因是它不止是一种根底的有招引力的电荷(如引力)或许是两种相反的类型的根本电荷(如电磁学的正电荷和负电荷),强力是由三种根本类型的电荷所操控的,而且它们不同于其他咱们更了解的力,遵守着天壤之别的规矩。
关于电荷来说,一个正电荷能够被一个相同巨细的相同且相反负电荷所消除。可是关于色荷来说,有三种不同的根底电荷。假如要消除一种单色电荷,需求一个第二种和第三种电荷。相同数量的三种电荷的结合发作的组合被称为“无色”的组合,而且无色组合是仅有的安稳的多粒子组合。
图解:与强核力彼此效果的夸克和反夸克是赤色,绿色和蓝色的(关于夸克),和青色,洋赤色,和黄色的(关于反夸克)。在强力的准则下可存在赤色+绿色+蓝色,青色+洋红+黄色任何无色组合或许是其他适宜的有色/反色组合。(亚大巴斯卡河大学/维基共享资源)
这独自别离适用于有着正色荷的夸克和有着反色荷的反夸克。幻想一个色环,你或许会把赤色、绿色和蓝色放在等距的方位,像个等边三角形相同。可是在红绿之间会是黄色,在绿蓝之间会是青色,在红蓝之前会是洋赤色。
这些中心的色荷对应着反粒子的色彩:反色彩、青色和反赤色、洋赤色和反绿色、黄色和反蓝色是相同的。就像能够用赤色、绿色和蓝色三种夸克组成一个无色组合(像一个质子),你能够用青色、洋赤色和黄色的反夸克组成一个无色组合(像一个反质子)。
图解:三个夸克(RGB)或三个反夸克(CMY)的组合是无色的,恰当的夸克和反夸克的组合也相同。坚持这些实体安稳的胶子的交流十分杂乱。(Maschen /维基共享资源)
假如你对色彩有了解,你能够用另一种方法来幻想假如制造一个无色组合。假如三种不同色彩或许反色彩可行,或许正确的色彩和反色彩也可行?
事实上它确实可行。你能够把夸克和反夸克正确的结合在一同去制造一个无色的复合粒子, 称为介子。这样可行的原因是:
1.赤色和青色
2.绿色和洋赤色
3.蓝色和黄色
都是无色组合。所以只需净电荷是无色的,它就能够存在于强力的准则中。
图解:夸克(RGB)和相应的反夸克(CMY)组合一直保证了介子是无色的。(ARMY1987 / Timothyrias 维基共享资源)
这或许会让你开端向一些风趣的方向考虑。假如红绿蓝的组合是无色的,但红青色的组合也是无色的,这是否意味着蓝色绿色和青色是持平的呢?
彻底正确。这意味着你能够把单个(有色)的夸克和以下的任何一个配对:
1.两个其他的夸克,
2.一个反夸克,
3.三个其他的夸克和一个反夸克,
4.一个其他的夸克和两个反夸克,
5.五个其他的夸克,
或许恣意其他的能到达无色总量的组合。当你听到像四夸克态(两个夸克两个反夸克)或许五夸克态(四个夸克和一个反夸克)这样古怪姓名的粒子时,你知道它们也遵从着这些规矩。
图解:当有自旋和能够是1/2,3/2,5/2的六个夸克和六个反夸克可供挑选时,五夸克态的或许性比全部重子和介子的或许性更多。在强力中仅有的规矩是全部的这些组会有必要是无色的。(CERN /LHC/LHCB 协作)
可是色彩仅仅一个类比,假如你追查细节的话,它很快就会站不住脚。比如说强力是经过交流带有色荷和反色荷结合的胶子。假如一个蓝夸克释放出一个胶子,它或许会变成红夸克,这意味着释放出的胶子含有一个青色(反赤色)一个蓝色的色荷,能让它坚持它原先的色彩。
那你或许会想,有三种色彩和三种反色就或许与九种或许类型的胶子。究竟你能够把每个赤色,绿色和蓝色与每个青色,洋赤色和黄色调配的话,就能得到九种或许的组合。这是个很好的开始猜想,它十分挨近正确的理论。
图解:经过色荷的存在和胶子的交流而运作的强力是使原子核结合在一同的力。胶子有必要有一个色荷和反色荷的结合体以使得强力如此,且有必要如此运作。(维基共享资源用户 qashqaiilove)
但事实证明只存在八个胶子。幻想一个红夸克释放出一个赤色/洋赤色的胶子,那个红夸克将变成绿夸克,由于这是你保存色彩的方法。这个胶子会再找一个绿夸克,这样洋赤色能够消除绿色然后留下赤色。经过这种方法,色彩在彼此效果的有色粒子间交流。
可是这种思想方法只适用于六个胶子:
1.红/洋红
2.红/黄
3.绿/青
4.绿/黄
5.蓝/青和蓝/洋红。
当你遇到其他的三种或许性—红/青,绿/洋红和蓝/黄—时,问题就来了:它们是无色的。
图解:当你有三种无色且或许的色荷/反色荷组合时,它们会混在一同发作两个在各种色荷/反色荷组合中不对称的“真实的”胶子,还有一个彻底对称的胶子。只需不对称的那两个组合能发作真实的粒子。(E.西格尔)
在物理学中,只需粒子有相同量子数,它们就会混在一同。这三种无色的胶子也肯定会稠浊在一同。有关它们假如混在一同的细节十分艰深且超出了非技术性文章的规模,可是终究会得到两种有着三种色彩和反色的不同结合,和一个有着均匀全部色彩和反色彩的结合。
最终的一个胶子是真实无色的而且不能与任何有色的粒子和反粒子进行物理性的彼此效果。因而,只需八个契合自然规律的胶子。夸克(和/或反夸克)之间的胶子交流,以及其他无色粒子和其他无色粒子之间的交互实际上是原子核能结合在一同的原因。
图解:单个的质子和中子能够是无色的可是它们之间仍存在着残留的强力。世界中全部已知的物质都能够被分为原子,原子则能够被分为原子核和电子,然后原子核能够持续被分化。咱们或许还没有到达割裂的极限,或是到达能把一个粒子分为多个构成部分的水平,可是咱们所说的色荷或在强彼此效果下的电荷是夸克,反夸克和胶子的最根本特点。(维基共享资源用户 Manishearth)
咱们能够把它叫做色荷,可是强核力遵从着独归于咱们世界现象规矩。咱们能够给予夸克色彩,反夸克反色,胶子色彩和反色的组合,但这仅仅一个有限的类比。实际上粒子和反粒子根本就没有色彩,它们是遵从着一个有三种根本类型电荷的彼此效果规矩,而且只需没有静电荷的结合能够存在于这个体系的自然界中。
这种杂乱的共处效果是仅有已知的能够战胜电磁力并将两个像电荷那样的粒子结组成单一安稳结构—原子核—的力。夸克实际上没有色彩,但它们有被强彼此效果所操控的电荷。只需具有这些共同的特点,这些构建物质的根本元件才干结合起来构成咱们现在寓居的世界。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3. medium-不苟言笑的猹-半月im- Ethan Siegel
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