探索物質的結構是科學的一項重要任務。 自從人類出現以來，
這種探索從未停止。在 19 世紀，人們清楚地認識到物質是
由分子原子組成。 1932年查德威克發現了中子，人們意識到最初的中子
子核應該是由質子和中子組成的。人們對物質結構的研究就像剝筍子一樣
一層層剝開，每一層的發現都是對物質結構認識的深化。
在原子核水平以下，質子和中子還有內部結構嗎？
質子和中子不是點粒子，它們都有內部結構。 在20世紀30年代，
理論物理學家認為，質子和中子（即核子）是基本粒子，應該像點一樣。
粒子，根據狄拉克相對論波動方程，質子的磁矩為1個單位
核磁子和中子的磁矩為零，因為它們不帶電。但令人驚訝的是，事實上
物理學家斯特恩測得的質子磁矩為5.6個核磁子，中子磁矩也不是
是零，而是-3.82個單位核磁子，這與點粒子理論相反。這些顯然是
這說明質子和中子并不像我們想象的那么簡單。 他們可能有內部
結構上。 20世紀60年代，霍夫施塔特等人用高能電子轟擊原子核，并證明
核子的電荷是彌散分布的，并且核子確實具有內部結構[1]。由于核子沒有
它不是一個點粒子，那么它里面的物質是如何分布的？也許有三種情緒
形狀：核心內部可能有一個硬核，看起來像桃子； 或者可能有很多顆粒，
它像石榴一樣有很多種子； 它可能沒有顆粒并且像棉絨一樣松散。具體是哪一種
在這種情況下，必須通過深度非彈性散射實驗做出進一步的決定。
深度非彈性散射實驗是指用極高能的電子撞擊質子或中子，引起
后者被激發到離散能級，即共振態，甚至達到電離π介子的程度。
脫離連續激發態。非彈性散射實驗將改變質子和中子的剩余質量
數量。 實驗表明，質子和中子內部存在點狀準自由粒子。
它們帶有一些動量和角動量。那么質子和中子中的這些點狀粒子
什么是孩子？ 它有什么屬性？
2.夸克模型
1964年，美國科學家蓋爾曼（見上右圖）提出強子結構理論
構建的夸克模型。強子是粒子分類系統中的一個概念。 質子和中子
屬于強子范疇。 “夸克”一詞最初指的是一種德國奶酪或海鷗的聲音。
蓋爾曼最初提出這個模型時，并沒有想到它會得到物理學家的認可，所以
它使用了這個幽默的詞。 夸克也是費米子，自旋為 1/2。
因為質子和中子的自旋是 1/2，那么三個夸克的自旋是 1/2，如果兩個夸克向上自旋，
自旋向下可以形成自旋為 1/2 的質子或中子。兩個優點和缺點
夸克可以形成具有整數自旋的粒子，稱為介子，例如π介子，
J/ψon，后者是丁肇中等人于1974年發現的，實際上是由粲夸克組成
由反魅力夸克組成的夸克對。 任何由三個夸克組成的粒子都稱為重子。
重子和介子統稱為強子，因為它們都參與強相互作用，因而得名。
原子核內質子之間的電斥力很強，但原子核仍能穩定存在。
正是強相互作用（核力）將原子核結合在一起。 根據夸克模型，
夸克有分數電荷，每個夸克的電荷為 +2/3e 或 -1/3e（e 是質子
電荷單位）。現代粒子物理學認為，夸克有六種（風味），分為
又稱上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、頂夸克、底夸克，
它們構成了所有強子，例如由兩個上夸克和一個下夸克組成的質子
，一個中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，然后是上夸克帶
下夸克的電荷為+2/3e，下夸克的電荷為-1/3e。 上夸克和下夸克的質量略有不同。
中子的質量略大于質子的質量。 過去，人們認為這可能是由于中子，
這是由質子的電荷量不同引起的。 現在看來，這應該歸因于較低的夸克質量比。
夸克質量稍大一些。
質子和中子的組成：一個質子由兩個上夸克和一個下夸克組成
組成時，一個中子由兩個下夸克和一個上夸克組成
雖然夸克模型在當時取得了很多成功，但也遇到了一些麻煩。
例如，重子的夸克結構理論認為，像Ω-和Δ++這樣的重子可以由三個組成
相同的夸克成分，均處于基態，具有相同的自旋方向，處于相同的能級
三個相同粒子的存在違反了泡利不相容原理。泡利不
相容原理指出兩個費米子不能處于同一狀態。夸克
自旋是一個半整數，它是一個費米子。 當然，它不能違反泡利原理。但是物理學
科學家們有自己的想法。 你不是說三個夸克是相同的嗎？那我給他們一個數字
或者加上“顏色”（紅、黃、藍），三夸克豈不是完全不同了？
它不再違反泡利原理。事實上，格林伯??格在1964年引入了夸克
這個自由度——“顏色”的概念。當然，這里的“顏色”并不意味著
它是視覺上感知的顏色。 它是新引入的自由度的代名詞，類似于電力的自由度。
夸克帶有色荷，類似于子子帶有電荷。這樣，每種夸克就分為三種類型
顏色和夸克的種類突然從原來的6種擴大到18種，而且它們
反粒子，那么自然界中一共有36種夸克，類似于輕子（比如電子、
μ子、τ子及其相應的中微子）、規范粒子（如光子、三種輸運控制
控制夸克和輕子衰變的弱相互作用中間玻色子，八傳遞強（顏色）
相互作用的膠子）共同構成了世界。夸克具有顏色自由度
該理論得到大量實驗的支持，并發展成為20世紀70年代強相互作用的重要課題。
基本理論——量子色動力學。
3. 量子色動力學及其特點
“量子色動力學”這個名字聽起來有點嚇人，而且發音也有點混亂。
嘴，應該這樣發音：/color/。這個理論認為夸克是
帶顏色的膠子場是夸克之間發生相互作用的媒介。這讓我們思考
電子帶電，傳遞電子間相互作用的介質是電磁場（光
子領域）。事實上，我們已經了解了電荷的動力學。 它被稱為“量子電”。
“動力學”是在20世紀30年代和1940年代發展起來的。 大多數讀者對電磁相互作用都有一定的了解。
我們很熟悉，所以我們以它為例來了解質子和中子內部的顏色相互作用。電磁場
麥克斯韋方程組的量子化就是量子電動力學。 具體來說，量子電
動力學是對電子和光子的量子碰撞（即散射）的研究。 自然是定量的
量子色動力學是對夸克和膠子量子碰撞的研究。
膠子是色場的量子，就像光子是電磁場的量子一樣。膠子
光子是質量為0、自旋為1、傳輸相互作用的介質粒子，它們都屬于
對于規范粒子。兩個電子之間的相互作用是通過傳遞虛光子而發生的
（虛光子僅在相互作用的中間過程中產生，其能量和動量不成正比，
它不能獨立存在，產生后立即湮滅。從相對論我們知道，自由運動
電子不能發射真實的光子，但可以發射虛擬的光子。給我們光和熱
它是一個真實的光子。 它的能量與其動量成正比。 脫離源頭后可以獨立存在。
），自然地，兩個夸克之間的相互作用是通過傳遞虛擬膠子而發生的
的。 虛擬膠子將一個夸克的部分能量和動量傳遞給另一個夸克，
所以這兩個夸克以膠子為紐帶相互作用。看到這一點，我們
你會說，你不是重復了嗎？量子色動力學可以基于量子電動力學
設置葫蘆畫斗就是這么簡單！ 但實際上事情并沒有那么簡單。
按照群論的語言，電磁場是一個U(1)規范場，一個阿貝爾規范場。
群元素可以交換，膠子場是SU(3)規范場，是非阿貝爾規范場。
字段和組元素不能互換。一般來說，“不”比“不”更麻煩
電荷只有一種，但色電荷有三種（紅、黃、藍）； U(1)組
只有一個發生器，即1，因此只有一種光子，有八個SU(3)群。
發生器，一臺發生器對應一種膠子，所以有八種膠子； 光子不
帶電，并且由于膠子場是非阿貝爾規范場，因此場方程具有非線性項，
反映了膠子的自相互作用，因此膠子也帶有色荷，而夸克則發射有色電荷
膠子，會自行改變顏色。因此，膠子場比電磁場更復雜，因此有很多
有許多不尋常的現象和性質，其中最重要的可能是“漸近自由”
[2-3]和“夸克屋”[4-6]。
“漸近自由”是指當兩個夸克之間的距離很小時，耦合常數也為
將變得如此之小，以至于夸克幾乎可以被認為是自由的。耦合常數由于以下原因而變得更小
由真空的逆色屏蔽效應引起。真空中的夸克使真空極化（即
它賦予真空顏色），夸克與周圍真空的相互作用導致真空極
虛膠子的偏振分布和變換產生的正負虛夸克，最終的效果是使夸克色荷
變大，這稱為顏色的反屏蔽效應（對于電荷來說，正好相反，由于真空
極化導致電荷吸引相反符號的虛粒子，因此總電荷減少。 這就是所謂的
電屏蔽效應。與之相比，“顏色的反屏蔽效應”一詞由此而來
來吧）。由于這種效應，遠距離夸克似乎是
它比它攜帶更多的色荷，因此在小距離處的強效果變得相對較弱。 這是
所謂“漸近自由”。 漸近自由是量子色動力學的一項重要成就。
它使得能夠使用微擾理論來計算高能色動力學。但是在低能的情況下或
在距離較大的情況下，由于耦合常數變強并且存在約束力，計算變得困難。
量子色動力學可以預測小距離的“漸近自由”，但對于大距離
沒有“夸克禁閉”，量子色動力學就無法預測。 這就是量子色動力學。
機械困難。
“夸克禁閉”是指夸克無法逃離質子。紅黃藍三
色夸克形成無色狀態，強子也是無色的。一旦夸克可以由質子或強子產生
當粒子脫離粒子時，自然界中就會出現有色粒子； 有色顆粒導致真空
進一步極化，色荷之間的約束勢非常大，帶來整個真空
顏色，能量很高，引起真空爆炸。事實上，這一切都沒有發生查德威克發現中子方程，這意味著
既然世界上不存在自由夸克，那么我們就會問：夸克是一種數學技術嗎？
巧合還是物理現實？ 研究這個問題就是對夸克模型的檢驗。沒有
然而，現在有了夸克存在的間接證據，物理學家認為夸克是
它確實應該存在。物理學家提出了夸克被囚禁的原因
幾種理論。有人提出了袖珍模型，比如認為質子是一個被真空擠壓的球。
口袋可以束縛夸克并防止它們逃逸[7-9]； 有人提出了弦理論。
人們認為夸克綁在弦的兩端，弦即使斷了也很難斷，
斷裂時產生一對正夸克和負夸克，原來的強子分裂成兩個新的強子。
自由夸克從未出現過[10]； 有人說，由于膠子帶有色荷，
膠子之間也會存在色磁引力，因此色力線會拉緊且平行，就像
充電電容器的兩個極板相互吸引，因為它們具有平行的電線。
夸克之間也有類似的吸引力； 晶格規范理論的面積定律證明夸克
K和K之間存在線性約束勢[11]； 在 20 世紀 90 年代中期， 和 使用他們的
發展起來的四維空間量子場理論證明磁單極子凝聚也可以導致夸克禁閉[11]。
關于夸克禁閉的理論有很多，這恰恰說明我們對強力還沒有了解。
足夠的。
4. 核子結構圖像和核衰變
介子光譜的研究表明，夸克之間除了單膠子的交換外，
除了顏色庫侖力之外，還有顏色限制力，其勢能隨著距離線性增加，如上所示。
如上所述，雖然線性約束勢的來源尚不清楚，但可以認為就是這個勢
導致夸克被囚禁。 但這種觀點可能需要受到挑戰。因為相對論
用線性波方程求解介子能譜，我們發現波函數在無窮遠處不會收斂到零。
相反，它是一個散射解決方案。這意味著我們應該檢測自由夸克，但我們沒有
并非如此。 那么這些散射解是怎么產生的呢？原來禁閉是無限遠的
如此之大以至于擾亂了真空并導致夸克和反夸克的產生。這些并沒有被實際測量到
產生夸克的原因之一可能是夸克的質量在長距離處變得非常大。
巨大，遠遠超過線性勢，抑制了真空擾動產生夸克和反夸克的能力。
夸克質量隨著距離的增加而增加，可能與真空極化有關（導致
真空有色）來解釋。真空彩色電極極化導致色荷滾雪球
隨著夸克能量和質量越來越大，浸入真空中的單夸克也越來越大。
以克為單位的質量很大，真空沒有足夠的能量來產生這些夸克。 也許這最終會導致
到夸克的禁閉。
對于強子結構，現在使用不同的理論模型來描述不同的能態。
基態質子和中子可以使用量子力學的薛定諤方程求解。 強子質量
主要由夸克承擔； 對于激發態的共振粒子，弦模型更為成功。
該模型假設重子和介子的質量和自旋主要由弦（色子）提供
[10]； 對于較高能量的強子激發態，由于真空彩色電極極化非常強查德威克發現中子方程，
因此，強子的質量主要是色偏振的質量，夸克的質量和弦的質量是十
目前，對于不同能態的質子和中子的結構還不可能使用統一的系統。
一種理論來描述。
以上討論的是質子、中子的靜態性質及其共振態。 下面我們就來談談吧。
它們的衰變問題。原子核中的質子和中子是穩定的，但中子是自由的
不穩定，壽命約為 11 分鐘。中子的質量比質子稍大，因為
并且可以有足夠的能量衰變成一個質子并釋放一個電子和電子型
反中微子。在夸克層面解釋這個過程其實是：中子內部
下夸克（電荷為-1/3e）發射出帶有弱相互作用的中間玻色
Subon W-，本身變成上夸克（帶+2/3e電荷），W-衰變成電子
和電子型反中微子。由于質子和中子的重子數為+1，因此輕子數
為0，電子和電子型中微子的重子數為0，輕子數分別為+1和-1。
因此，在這個過程中，重子數和輕子數都是守恒的。現行粒子物理標準模型
（量子電動力學、電弱統一理論[12]、量子色動力學）認為重子
數字是保守的。 質子已經是最輕的重子，因此它不能衰變成其他重原子。
兒子，它是永恒的。由于人們所遇到的物質世界主要是由重子組成的，
，所以很容易相信質子是永恒的。但是有一個理論預測了這一點
這個概念是錯誤的。 質子將衰變成正電子和中性介子。 重子數和光
子數并不是絕對守恒的。該理論是一個大統一理論[13-17]，它試圖
強相互作用、弱相互作用和電相互作用被統一并由耦合常數描述。大統一
該理論包含標準模型，但比標準模型更大，因此具有更多內容
徑向相互作用的規范玻色子。盡管這些規范玻色子是超弱場
量子，但質子中的下夸克會釋放出這種規范玻色子并變得正
電子，質子內部的上夸克吸收了規范玻色子并成為上夸克
反粒子（反上夸克），這個反上夸克與質子中的另一個上夸克有關
結合形成中性π介子。 由于引起夸克-輕子轉變的場非常弱，
因此，質子雖然要衰變，但其衰變壽命卻很長，約為千萬億萬億。
十億年，而我們宇宙的壽命只有數百億年，所以質子的平均壽命是
宇宙的壽命長了十萬億萬億倍。在你的一生中，你體內的質子只能衰變
十分之幾，所以我們不用擔心質子衰變會給我們的生活帶來不便。
質子衰變只是理論預測，實驗證明尚未完全完成[16]。
如前所述，質子中的點粒子是夸克。 事實上，它們還包括膠子。
以及海夸克的不斷產生和湮滅。過去人們認為質子的自旋是1/2，它是由三個
由夸克提供，目前的研究不支持這個想法，其中三個質子
夸克的總角動量僅占質子自旋的15%，大部分自旋可能是由膠子引起的
和海夸克熊。 這被稱為“質子自旋危機”，是一個熱門話題。
物質的組成
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