夸克囚禁及其诸多疑难
夸克囚禁及其诸多疑难
(2009-06-11 11:56:31)转载标签：知识/探索杂谈 分类：审视现代物理学主流
作者 苟文俭
1964年，盖尔曼等人研究了强子具有对称存在的多重态后，便提出了强子是由更小粒子组成的假说，并借用爱尔兰小说家乔埃斯的诗句，把组成强子的这个更小粒子就称为了“夸克”。开始，夸克只是作为满足强子对称存在具有多八重态的一种数学构成单位，后来由于把它看成更小粒子在理论解释上不断取得了成功，很多物理学家们便相信，夸克就是构成强子的更深层次的亚粒子。
夸克提出后，但在理论预计可测量的能量范围内，大量实验却一直都没有找到自由夸克，一种解释是说：由于某种原因，夸克只能囚禁在强子内部而不能以自由状态存在；这就是粒子物理学中所说的“夸克囚禁”。
（一）
目前，在量子论的框架内，说明“夸克囚禁”的唯象理论或理论解释的，主要有以下五种。
1、强子结构的袋模型。其描述是用附加边界条件的方法，将夸克束缚在有限的空间区域内。
较成功的是1974年由约翰孙等人提出来的MIT袋模型。该模型认为夸克与胶子在“袋内”满足通常的运动方程，而在袋的表面则有两类边界条件：一类是线性的，它限制了色力线不得穿出袋表面；第二类是二次的，它规定袋内夸克和胶子场对袋表面产生的压力、与袋外部真空对袋表面产生的压力平衡。1975年布达佩斯的一个小组为MIT袋加上了表面张力项，考虑了袋表面的动力学；1978年约翰孙又为它的MIT袋模型找到了一种定域场论的拉氏函数。该模型在解释强子色单态、强子谱及磁矩、弱作用轴矢量与轴矢量耦合常数比等方面都很成功，但它拉氏函数却是不可量子化的。
1975年，斯坦福直线加速器中心的一个小组又提出了SLAC袋模型，但在与实验的符合方面，并没有MIT袋模型好。
李政道在1978年认为，袋模型的实质可以理解为真空存在的两种相，是色介电常数等于零的真空相、包围着色介电常数不等于零的区域，这个区域就是“袋”，他在数学分析中，把色介电常数看成是一种唯象的标量场，在不同极限下，就分别得到了MIT袋模型和SLAC袋模型。
2、强子结构的势模型。描述方法，是用某种等效位势来描述夸克之间的相互作用，通过夸克结合成束缚态（强子）的性质，来理解夸克为什么可以束缚在有限空间区域。
势模型的第一种考虑，是假定夸克质量很重，在强子质心系中运动速度不大，夸克之间的相互作用就可以看成是瞬时的，以此构建出方程再演绎出所需要的结果。势模型的另一种考
虑，是采用非相对论论的薛定谔方程来描述介子质心系中夸克的运动。
另外，也还有一些利用量子色动力的考虑设计出来的位势，如把近距离的厍仑势与远距离的线性势用对数势连接起来，就是一例。
3、夸克的弦模型。该模型解释夸克囚禁的具体思想是：组成强子的夸克都是由胶子场形成的弦连结在一起的，每根弦的两端都有一对正反夸克，当外界足够的能量输入若达到把这种弦拉断的程度时，弦的断裂它就会立即在断裂处又产生出了一对正反夸克，因此我们就始终不能观测到单个的自由夸克。
4、点阵规范理论，这是量子色动力学的一种表述方式，1974年由威尔孙提出。它具体解释夸克囚禁的思路是：把粒子内的空间看成是“晶格点阵”结构，夸克只能位于点阵的结点上。夸克带有色荷，夸克之间的规范场则是有能量的弦，弦的两端是带相反色荷的夸克；按照规范原理，当夸克对相互分离时，它们之间必然要产生弦来保证每一个点的色荷守恒，分离越远产生弦的能量越大，无限远意未着能量无限大，这是不可能的。因此夸克就决不可能从粒子内部的点阵空间分离出来。
5、红外奴役。这也是量子色动力学中，用夸克远距离耦合强度增强来解释夸克囚禁的一种设想。凯兰和习曼吉克1970年在对量子色动力学的研究中发现：夸克之间的强作用会随距离的减小而逐渐减弱，这即是夸克之间强作用的渐近自由。受此启发，一些理论家就认为夸克之间不可能无限远离，类比可见光的远端是红外线，因此这种现象就称是红外奴役。但这仅仅只是一种理论设想，并没有得到综合逻辑论证。
（二）
强子的夸克组成、及以此为描述依据的量子色动力学，它成功实现了对强子的分类，用十分简单的模式包罗了复杂的强子现象，在描述强子个体的对称性存在中，也取得了与所有实验事实相符的巨大成功，成为了标准模型最重要的组成部分。但在夸克模型展示了这种十分诱人的成功性的同时，如下所述，却又有诸多难以克服的一大堆疑难。
1、上述对解释 “夸克囚禁” 的各种说法，都根源于夸克间的强作用，而我们对强作用又并没有弄明白，均只是演绎逻辑的猜测和想像，并不具备“夸克囚禁”的必然性。因此，不能观测到自由夸克，就仍然是夸克模型的首先疑难。
2、夸克带分数电荷，而实验并没有观测到分数电荷。
3、夸克作为强子的两个或三个组元，但在对强子的理论表述中，却要把强子看成是由许许多多海夸克组成，使唯象模型与理论表述严重不协调。
4、夸克有自旋，夸克组成了强子，夸克自旋确不能构成强子自旋，有著
名的自旋危机；尽管有人宣称解决了该危机，但这种解决方法有不应该有的假设条件，也不是粒子在实验室存在的通常状态。
原子由核与核外电子构成，为什么人们都相信原子构成就是如此，就是因为核与核外电子在实验室存在的通常状态下、自动构成了原子存在的所有事实，而对夸克自旋危机的解决就并没有能给人以这种信任感。
5、不能解释三代夸克的质量差异为什么是如此之大，如果要让夸克质量与粒子质量的实验观测值相符，就必须把夸克质量微调到小数点后的十几位，这是明显的人工雕琢。
6、对夸克间强作用做计算，总会有令人望而却步的无穷大。
7、完全不知道超重夸克之间应当发生的引力到底是怎么回事。
此外，还可以再列举许多，如夸克模型不能解释夸克与轻子为什么只有三代，夸克的色荷、手性是什么样的客体化存在特性等等。因此，虽然强子的夸克结构表现了很大的优势，但它留下的疑难比解决的问题还要多的多。
（三）
作者在新著《粒子及其质量计算》表述的I-V模型中，夸克就是构成粒子存在内容主单位的L动作，它可以由不同的I对称要素组成（p230）；夸克的“代”，形成于组成它的纵向I对称要素的个数，也只有三代（p231）。从数学表述的等效性考虑，L动作集合构成的粒子存在内容，在等效表述中有与夸克模型中奇异数、粲数、同位旋第三分量、味量子数和色量子数相同的内容。粒子夸克模型中，凡是用这些内容构成的形式化数学表述，同样也适用于I-V模型，如由三个L动作构成的重子，就同样满足夸克模型中三维复数空间的SU（3）对称（p369）。
对粒子的构成，若用L动作取代标准模型夸克，本文（二）所述的所有那些疑难，都将被自动消除。
1、形成每一个L动作的物质要素，都分布在了粒子静止质量物质存在的整个区域（p223），而且都带单位电量（p231），因此它自然就不能自由存在，也不会有分数电荷。
2、在I-V模型中，粒子自旋构成于粒子对中心固有物质要素的表达（p162），这也自然就没有了粒子自旋是来自夸克的所谓自旋危机。
3、该书第十章及第十一章陈述表明，I-V模型仅使用了四个源于真空固有存在的基本常数（p403），就对所有常见粒子质量做了准确计算，也完全没有主流的规范理论中、需要人工雕琢夸克质量的困惑。
I-V模型L动作不仅理论上保留了夸克模型所有的有效内容，更重要的是，它还把现代对粒子的陈述、从规范理论纯粹的演绎法，转变成了对与粒子构成的相关现象事实的分析归纳，实现了探索方式的根本性转变。该书的论述还表明，I-V模型在消除了
夸克模型所有疑难的同时，还唯一确定性地回答了正、反粒子是什么，粒子内部空间左、右手性旋量是什么，粒子量子化电荷、同位旋、夸克色量子是什么，获得质量的粒子自发破缺及希格斯机制是什么，等等涉及与粒子构成存在相关的所有“是什么”的问题，并对规范理论那种抽象的数学演绎，提供了唯一确定的边界条件，也为现代粒子理论表述搭建了非常有效的客体化平台（p232）。
该书的论述充分表明：在粒子的构成中，I-V模型不仅包含了现代规范理论所有成就，从I-V模型出发，也还有效地消除、理解或解决了规范理论不能解决的所有疑难，而且来自经验领域的逻辑前提又非常简洁，所有陈述也都具有在常规条件下的可验证性。
用L动作取代夸克，可以非常有效地发展现代粒子理论。
完成于 2009-6-11
【注】：该文（三）编辑于作者新著《粒子及其质量计算》第六章第十一节。本文中相关句子后面括号内的p加数字，如（p230），指的是该处所论述的内容出自该书的第230页。期待网友通过本文的介绍能够对作者的I-V模型感兴趣。