量子色動力學：愛因斯坦、楊振寧宇宙大一統構想下最後一塊拼圖

前段時間，“夸克之父”蓋爾曼去世，享年89歲。蓋爾曼被譽為天才物理學家，14歲從進入耶魯大學，18歲獲學士學位，年僅22歲就獲得了麻省理工大學博士學位。26歲就成為了加州理工學院最年輕的終身教授。

他 24 歲就發現了基本粒子的一個新量子數——奇異數，40歲就因為提出了“質子和中子是由三個夸克組成的”獲得了諾貝爾物理學獎，要知道，諾貝爾物理學獎獲獎者平均55歲，他也被譽為被稱為擁有“五個大腦”的天才科學家 。而他最為卓越的貢獻就是完善了量子色動力學，補齊了宇宙大一統的最後一塊拼圖。

蓋爾曼獲得諾貝爾獎

量子色動力學是描述組成強作用粒子（強子）的夸克和與色量子數相聯繫的規範場的相互作用，可以統一地描述強子的結構和它們之間的強相互作用，被認為是有希望的強作用基本理論。

我們都知道，如果要想實現物理學乃至宇宙的大一統，就必須要將弱力、電磁力、引力和強力四大力相融合。

愛因斯坦後半生花費了整整 30 年的時候來研究統一場論，想要實現宇宙的大一統，但是愛因斯坦活著的時候，宇宙四種基本相互作用就只發現了 2 種，分別是麥克斯韋將電力和磁力相統一的電磁力以及引力。

而弱力雖然是在 30 年代由費米理論提出，把弱相互作用看做是一種參與作用的四個粒子(如中子衰變中的中子、質子、電子和中微子)之間的點相互作用，不過當時對於弱相互作用的概念還十分模糊。

直到 1954 年，楊振寧和米爾斯獨闢蹊徑，不再侷限於統一引力與電磁力，而是想從弱相互作用和電磁力入手，他們在著名物理學家外爾的基礎上，把電磁作用是由定域規範不變性所決定的觀念，推廣到不可對易的定域對稱群，提出了楊·米爾斯理論。揭示出規範不變性可能是電磁作用和其他作用的共同本質，從而開闢了用規範原理來統一各種相互作用的新途徑。

在此基礎上，楊振寧完善了規範場論，物理學界正式從愛因斯坦統一場的研究轉變為規範場論，成為物理學的新趨勢，規範場後來被很多人認為最有可能實現統一四大力。

後來，李政道、楊振寧、吳健雄等證明了弱作用的宇稱不守恆和CP不守恆之後，物理學家們考慮建立一個基於量子場論的弱相互作用理論。美國科學家格拉肖最早提出用規範場的方法，將電磁作用與弱作用統一到一個數學框架中，1968 年 溫伯格、薩拉姆在格拉肖電弱統一模型的基礎上建立了電弱統一的完善理論，他們理論在多次試驗中得到證實，電弱統一理論已經是一個得到實驗相當嚴格檢驗的科學理論。

然而，這個時候，關於系統闡釋宇宙四大力的強力的理論還遲遲沒有被人們所發現。其實，人們對於強力的研究很早，最早研究的強力是核子（質子或中子）之間的核力，它是使核子結合成原子核的相互作用。

1935年湯川秀樹提出了質子和中子通過交換一種未知的介子形成原子核內很強的束縛力(核力)，這種力與交換無質量光子的電磁力不同，它是短程力，開創了研究強相互作用的歷史。

湯川秀樹和愛因斯坦

而自1947年發現與核子作用的π介子以後，實驗陸續發現了幾百種有強相互作用的粒子，這些粒子統稱為強子。（所有受到強相互作用影響的粒子就叫強子）

同樣是1947年，鮑威爾發現了參與強相互作用的介子，逐步完善地建立了核力的介子交換理論。

後來關於介子更為詳細的研究

前期的工作已經鋪墊完成，為到了 60 年代，關於電磁力的電磁場理論早已發展為量子電動力學、弱力有費米點作用理論。並且將弱力與電磁力的弱電統一理論已經成熟，這個時候關於系統闡釋強力的理論也開始誕生。

1961 年， 美國物理學家蓋爾曼提出了強子分類的 SU(3) 模型。 這一模型不僅對當時已知的強子給出了很好的分類， 而且還預言了當時尚未發現的粒子，但這一模型有一個顯著的缺陷， 那就是 SU(3) 的基礎表示似乎不對應於任何已知的粒子。

在粒子物理學裡，標準模型（英語：Standard Model, SM）是一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。而描述電磁、弱和強相互作用的粒子物理標準模型，對應的對稱性分別為：U(1)Y x SU(2)L x SU(3)c。這些對稱群在數學上稱為么正李群。么正指的是某個物質於時刻t在全空間找到粒子的總概率等於1。若微觀粒子不能產生和湮沒，那麼某時刻波函數滿足歸一化條件，則在任何時刻，波函數都將保持歸一化（概率守恆）。它敘述的是微觀過程物質不滅的原理。而李群是一種只有一個運算的、比較簡單的代數結構；是可用來建立許多其他代數系統的一種基本結構。（宇宙四大力，引力還沒有被納入標準模型）

1964 年， Gell-Mann 與美國物理學家 George Zweig (1937-) 提出了夸克 (quark) 模型， 將夸克作為 SU(3) 基礎表示所對應的粒子， 強子則被視為是由夸克組成的複合粒子。

1964年的時候，蓋爾曼和喬治·茨威格分別獨立提出了夸克模型，夸克模型是一種根據強子內價夸克種類的強子分類方案，將夸克作為 SU(3) 基礎表示所對應的粒子， 強子則被視為是由夸克組成的複合粒子，而價夸克就是強子內的夸克和反夸克，它們是強子量子數的源頭。

這段話我給大家解釋一下，我們都知道，夸克是一種比原子還小的粒子,不帶電,原來認為原子是不可分割的,但後來發現了夸克的存在,，也是構成物質的基本單元。夸克互相結合，形成一種複合粒子，叫強子，強子中最穩定的是質子和中子，它們是構成原子核的單元。

（中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成，質子由兩個上夸克和一個下夸克通過膠子在強相互作用下構成。）

1969年，美國科學家費曼提出了部分子模，他認為強子是由許多帶電的點粒子構成，這些點粒子稱為部分子，在高能電磁相互作用和弱相互作用過程中可以近似作為相互獨立的粒子。

但在夸克模型中，幾個夸克如何能夠共同組成強子，處於在其它方面完全相同的狀態但卻仍滿足泡利不相容原理，又成了大家苦惱的事情。

強子，裡面的是夸克

1972 年， 蓋爾曼等人在實驗的引導下重新考慮了格林柏格提出的色荷的概念，（色荷是夸克的一種性質），以及以之為基礎的楊·米爾斯理論。 而這也正式標誌著量子色動力學的誕生。 由於色荷是一個三值量子數， 因此量子色動力學的規範群被選為了 SU(3)。

簡而言之，蓋爾曼他們把楊·米爾斯理論用在強力身上,結合強力各種具體的情況,最後得到的量子色動力學(QCD)才是完整描述強力的理論。

到了 1973 年，美國科學家格羅斯、波利茨、威爾茨克通過一個完善的數學模型說明：夸克之間越接近，強作用力越弱。當夸克之間非常接近時，強作用力是如此之弱，以便到它們完全可以作為自由粒子活動。這種現象稱為“漸近自由”。反之，夸克之間距離越大，強作用力就越強。“漸近自由”為量子色動力學提供了支撐。

其實講到這裡，你就明白楊振寧多牛了，電磁力、弱力、強力都是符合楊·米爾斯理論的，它為宇宙大一統提供了理論基礎。

到了 1979 年，在高能正負電子對撞實驗中發現三噴注現象，進一步顯示了膠子的存在。這也讓量子色動力學得到了進一步的完善。

連接各個小球的就是膠子

在物理學中，膠子是一種負責傳遞強核力的玻色子。它們把夸克捆綁在一起，使之形成質子、中子及其他強子。

在量子色動力學中，量子色動力學中總共只有兩類粒子： 膠子與夸克。 其中膠子是無質量的， 而夸克有質量，具有色荷的夸克之間的強相互作用是通過交換膠子而實現的，膠子具有色荷，膠子之間也有強相互作用，膠子本身可放出或吸收膠子。當兩顆粒子色荷互相作用時便會交換膠子。

膠子如何在夸克間傳遞強力

自此，量子色動力學正式成熟，量子色動力學的創立是科學歷史長河中最偉大的成就之一。它徹底改變了我們關於物理世界的基礎性本體論概念及其基底的動力學。它所發現的不僅僅只是新粒子和新力，而是更為深層的物理實在，一種全新的實體。

在動力學上，強核力不再被看作是基礎性的，而是降格為更強長程力(該力以膠子為媒介)中無法消除的殘存物。從一個長遠的觀點看，或許比這些發現更為重要的是：它開闢了一條新路徑，沿著這條路徑，我們可以探究物理世界未知層面裡的眾多新奇特徵，

量子色動力學誕生之後，格拉肖在電弱統一理論的基礎上，將三者結合統一成描述弱、電、強三種相互作用的大一統理論。人們還將規範場論延展，成功為電磁作用、弱相互作用和強相互作用及組成所有物質的基本粒子提供了一個統一的數學形式化架構——標準模型。這套理論精確地表述了自然界的三種基本力的實驗預測，它是一個規範群為SU(3) × SU(2) × U(1)的規範場論。

可以說，量子色動力學的誕生為宇宙大統一找齊了最後一塊拼圖，而自此之後的物理學研究，就是在思考如何把引力拼進去，並且讓宇宙大一統這幅拼圖變得更加完美。

讓我們一起緬懷蓋爾曼，他對於物理學的貢獻，尤其是量子色動力學的創立，將物理研究引向了一個新的方向。