胶子与胶球

作者: Eugene Wang

来源: 万象经验

发布日期: 2024-05-31 11:24:17

本文探讨了胶子如何在没有质量的情况下形成具有质量的胶球,以及胶球在粒子物理学中的重要性。

胶子没有质量,为什么它们组合成的胶球有质量?粒子物理学充满了各种矛盾的东西,其中一些称为胶子的粒子表现得尤其奇怪。根据定义,胶子是所谓强相互作用的量子载体,它结合质子和中子内部的夸克。在量子场论中,任何粒子的相互作用都被描述为这些粒子与其他粒子交换的结果。例如考虑两个粒子之间的电磁相互作用,具有相同电荷的电子相互排斥,量子场理论将这种排斥解释为电子交换光子的结果。

这种现象可以比喻为经典力学中的一个简单类比,想象两个人静止漂浮在空间中并来回传一个球。当第一个人扔出球时,根据动量守恒定律他要向后移动。当第二个人接住球时,他吸收传递给他的动量也会开始向后移动。电子之间的斥力以非常相似的方式工作,只是他们传递的是光子而不是球。回到量子场论,负责介导相互作用的粒子被称为规范玻色子。涉及夸克的强相互作用的载体是胶子。

夸克是已知的最小的物质组成部分,正是由于夸克之间的这种相互作用驱动的吸引力,才能形成质子和中子。单个胶子在被其他粒子吸收之前,仅存在大约10^-23秒。胶子诞生和吸收的过程大约发生在相同的时间,因此胶子数量在任何给定时刻都大致保持恒定。我们可以通过一定的能量从原子中移除一个电子:如果你试图从原子核中移走电子,它们的相互作用能就会减弱;如果电子移动得足够远,相互作用能就会变得如此弱,以至于可以忽略。

但夸克是完全不同的,因为胶子可以无序地繁殖,产生新的胶子,直到它们被夸克吸收。夸克移得越远,胶子的寿命就越长,在此过程中产生的胶子就越多。当我们试图移走一个夸克时,我们所施加的能量足以产生新的夸克。所以,夸克不会单独存在,它仅会存在于某些夸克胶子组合中,这被称为夸克禁闭。理论上胶子可以凝结成稳定的结构,除了胶子本身之外什么都没有。

我们谈论的是胶球,其中胶子的诞生和吸收过程是平衡的,或更准确地说,累积的胶子能量保持恒定。与光子类似,尽管单个胶子不具有质量,但当团结在胶球中时,它们确实携带能量,这种能量会表现为外部质量。根据计算,由许多无质量胶子组成的胶球应该是大质量的,比质子重几倍甚至几十倍,可以产生影响其他物体的引力场。

无论是单个胶子,还是它们形成的胶球,都没有电荷,这意味着它们不参与电磁相互作用,因此不与包括可见光在内的电磁波相互作用。另外,胶球也不参与弱相互作用。本质上,引力是胶球与周围世界之间相互作用的唯一手段。需要注意的是,引力是所有基本相互作用中最弱的,在微观世界的规模上微不足道,因此常常被忽视。

从粒子物理学的角度来看,胶球是极端内向的,对外部事件几乎不感兴趣,并且表现得几乎像完美的隐形人,因为它们几乎从不显现自己。这正是物理学家对胶球高度感兴趣的原因。

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