量子色动力学札记

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1、量子色动力学札记黄涛今年《现代物理知识》第1期向读者推荐了一来描述的，即质子和中子通过交换介子紧紧地束缚本新书《量子色动力学引论》，已出版了数月。应编在原子核内，唯象地解释了核力以及描述各种强衰辑部约稿，谈谈我所经历以及在写作这本书时所知变和强产生过程实验结果，取得了有意义的进展。道的有关量子色动力学发展历史和有趣故事。同时它也遇到了来自理论和实验两方面的挑战。理量子色动力学是物质结构在夸克层次的动力学论上汤川介子交换理论是在量子场论框架中建立规律。1973年格罗斯（D.J.Gross）、波利策（H.D.的，量子场论描述电磁相互作用物理现象相当成功，Politzer）和维尔切克（F.W

2、ilczek）发现了强相互作发展为量子电动力学。量子电动力学中传递电磁相用的渐近自由性质，奠定了量子色动力学理论基础，互作用的媒介子是光子，电子和光子之间相互作用2004年他们三人获得诺贝尔物理学奖。从1973年强度以电荷e来标记，又称为电磁耦合常数，其数创立经过近40年发展至今，量子色动力学已成为强2e1值在自然单位制里α==。量子场论中最有相互作用的基本理论。41π37自然界中存在四种相互作用：引力、电磁相互效的方法是微扰理论，由于展开参量α很小具有很作用、弱相互作用和强相互作用。引力无处不在，好的收敛行为，理论上可以精确地计算到微扰论的电磁相互作用统一了电学和磁学，电磁波深刻地影

3、高阶修正，例如电子的反常磁矩和兰姆位移(氢光谱响着人类社会的发展，在科技、军事、经济发展以的精细结构)相当精确地与精密实验结果一致。然而及日常生活中都起了极为重要的作用。弱相互作用对于汤川介子交换理论，质子、中子与介子的相互描述了微观世界中粒子的弱衰变和弱产生的转变过作用强度以耦合常数g来表示，根据微扰论最低阶程，例如中子衰变为质子加上电子和中微子的beta2g计算结果由实验上确定其数值≈14，显然表明如衰变过程。强相互作用是短程力，它在原子核内将4π−13质子和中子紧紧地束缚在极小(~10cm)的原子核此强的耦合常数不能作为展开参量，也无法计算高内。引力的相互作用强度最弱，在微观世界

4、可以忽阶修正。这就表明量子场论中不能应用微扰理论到略，而强相互作用最强，是理解微观世界基本组成强相互作用汤川介子交换理论。份以及它们之间相互作用运动规律的关键。另一方面，20世纪60年代初，随着高能加速强相互作用的存在可以追溯到1911年卢瑟福器的发展，实验上发现了一大批基本粒子，基本粒实验发现原子核，1932年查德威克发现原子核中有子已不是30年代只有质子、中子、电子三种，总数中子，由此海森伯和伊凡宁科提出了原子核是由质达到了一百多种。其中绝大多数粒子直接参与强相子和中子构成的原子核模型。原子核仅是原子的十互作用称为强子，如质子、中子、π介子、K介子、万分之一大小，强相互作用将质子和

5、中子束缚在如ρ、ω、Λ、Σ、Ξ等。这一百多种强子之间的相互作此小的核心内。1935年汤川秀用耦合常数很大，以致不能应用微扰理论，而且它树（HidekiYukawa，1907～们在以点粒子为出发点的定域量子场论中与实验结1981年）提出了强相互作用的果有更多的矛盾。例如上世纪50年代末霍夫斯坦实介子交换理论（图1），并预言验测出质子明显有一定大小，唯象地引入质子电磁了π介子的存在（那时物质结构形状因子和半径来描述。显然量子场论微扰理论描的基本粒子只有质子、中子和述众多强子间强相互作用受到了严峻的挑战。电子），1947年鲍威尔（Powell）20世纪50年代中期人们试图从理论上放弃微在宇宙

6、线中发现了π介子。一直扰理论，发展不依赖于微扰展开的S矩阵理论和公到夸克发现以前，强相互作用理化场论以及20世纪60年代初研究众多强子性质图1汤川秀树1949年荣获诺贝尔物理学奖理论都是用汤川介子交换理论的对称性理论。公理化场论试图从量子场论必须遵23卷第3期(总135期)·51·从的几个基本公理性假定出发最大限度地导出格林2函数或S矩阵元的普遍性质，其中在复q平面上的解析性质和由此导出的色散关系就是公理化量子场论的重要成就之一。这几条基本公理性假定是：Lorentz协变性、微观因果性、Hilbert空间完备性、幺正性、强子质量谱条件和渐近条件等。导致S矩阵元解析性质的关键是微观因果性

7、假定。1961年人们进一步发现实验上观察到的一百多种强子按它们图2盖尔曼1969年荣获诺贝尔物理学奖的自旋、同位旋、宇称和质量谱可以填充在SU(3)对称性表示中，即按SU(3)对称性很好地对众多强称为北京基本粒子理论组。在一段较长的时间内集子按自旋和宇称进行分类，盖尔曼(M.Gell-Mann)中了三个单位39人的队伍（老、中、青梯队）共同在一篇文章中称它为八重态方法。这种分类非常像学习国际上最新进展，研讨科学问题，发表了三本原子按门捷列夫周期