我们日常生活中接触的几乎每一种相互作用,每一种力,要么是电磁相互作用,要么是引力相互作用。但还有一种相互作用,它比电磁或引力产生的任何作用都要强。你可能会联想到超人用来打败敌人的力量。不过,这种力虽然巨大,同时也相当温和——我们确实没有观察到过它发挥作用。但如果它不存在,我们就会立即解体。是它让我们的原子聚在一起。但我们为什么需要一种非常特殊的力量做这件事呢?为什么没有它我们都会解体?让我们来看看它是如何起作用的。
原子核是由质子和中子组成的。我们通常把它们想象成黄/白和红球。黄球代表电中性的中子,而红球代表带正电的质子。质子和中子非常轻,它们在原子核内的相互作用与引力关系不大。但如果我们看电磁力,情况就大不相同了!中子不受影响,质子却大受影响。两个正电荷互相排斥。这个现象的原因就是库仑力,即电磁力中静电力的部分。我们可以像忽略引力一样忽略它吗?不,绝对不能。原子核非常微小,只有大约10fm(飞米,10-15米)。这意味着两个质子之间的距离很短。而由于库仑力的大小与距离的平方成反比,这说明它们之间的库仑力非常大。此处的“非常大”指的是大约2.3N(牛顿)。用日常生活中的例子来说,那就是你要拿起大约4根重约30克的巧克力棒所需要的力。你现在可能会说:“这点力不算大!”但请记住,你比质子大得多。而与质子之间的吸引力相比,相斥的库仑力是它的1036倍。但是我们都知道,原子核是稳定的(放射性衰变的原子核除外)。所以一定有什么力可以抵消质子之间的排斥力,使它们聚在一起。这就是强力。
有色者为强
粒子只有带电才会受到电磁相互作用的影响,那么我们不妨问问自己,粒子必须具备哪种性质才能参与强相互作用呢?这种性质能让质子和中子聚在一起,那它是否也能让电子和质子、中子贴在一起呢?
粒子参与强相互作用所需要的性质叫作“色荷”。它是一种“允许粒子参加相互作用”的“荷”(charge),电荷(electric charge)就是其中一种。其实它与颜色没有任何关系,我们很快就会明白为什么它的名字里要有“色”字。携带色荷的那群粒子叫作“夸克”。幸运的是,电子不是夸克,否则,所有原子的电子都会被拉到原子核里。这意味着我们会立刻缩成小球,什么事都做不了,像解体一样会给我们带来不便。
什么样的距离都不算远
强力有一个奇怪的性质。该性质导致的行为与我们通常对力的理解完全相反。想一想引力和电磁力:从树上掉落的熊会被引力拽到地上,而太空中的熊却不会;两块离得很近的磁铁之间会有强烈的吸引力或排斥力,而相隔很远的两块磁铁似乎对彼此一点兴趣都没有。发生在熊和磁铁上的现象原因在于,电磁力和引力会随着距离的平方增加而减小。
强力与此大不相同,即便距离有增减,它仍然可以保持不变。这一点不容易解释。这与强相互作用时交换的粒子——胶子有关,胶子不仅与带色荷的夸克相互作用,还与其他胶子相互作用。电磁相互作用时交换的粒子——光子则不然。因为强力保持不变,它的作用范围是无限的,这一事实立即让我们产生了一个问题:为什么它只能让单个原子核内的质子和中子聚在一起,而不能让所有相邻的原子核聚成一个超原子呢?
用场能制造夸克
如果我们试着将被一个胶子粘在一起(现在你应该明白“胶子”这个名字的由来了)的两个夸克分开,会发生什么呢。一个恒定的力会产生呈线性增加的势能(距离增长为原来的两倍,能量也增长原来的两倍)。因此,你把它们拖开越远,胶子中储存的能量就越多。如果你想想爱因斯坦的E=mc2,两个夸克的距离迟早会使它们之间的胶子拥有足够大的能量,让胶子转化为一个夸克和一个反夸克:E胶子=(m夸克+m反夸克)c2。
于是,能发生的事情就发生了。胶子的连接中断了,我们最终得到两个距离较近的夸克对,而不是一个距离较远的夸克对。这就是你永远无法将夸克和它的小伙伴分开的原因。虽然从原子中把一个受电磁力束缚的电子驱逐出去比较容易,但如果你对质子或中子的夸克做同样的尝试,你会立即得到许多新物质和反物质。大型强子对撞机之类的粒子加速器就利用这一点制造出了各种各样的夸克和反夸克。强相互作用的性质解释了为什么夸克不以自由粒子的形式存在,而总是会被束缚在至少另一个粒子上。物理学家将这种现象称为“量子禁闭”。他们还观察到,由夸克构成的粒子(他们称之为“强子”)只能作为“白色物体”存在。这意味着什么呢?请记住,夸克带有一种色荷,电荷可以是正电荷或负电荷,而色荷可以是红的、蓝的或绿的。选择这些颜色(再次强调:请不要从字面上理解!)是有原因的。你可以把它们视为三原色,他们加在一起就成为白色。这意味着,一个白色的强子可以由三个不同颜色的夸克组成。这种物体被称为“重子”。获得白色还有一种更为隐秘的方法,那就是将一种颜色和它的反色结合在一起。反夸克具有的就是反色。因此,夸克和反夸克也可以形成白色的强子,这种强子被称为“介子”。
如果你问自己:为什么强相互作用会有那么多奇怪的性质?我们不知道。但如果它不具备这些性质的话,我们就都不会存在了。