​什么是量子色动力学

什么是量子色动力学

量子色动力学(Quantum Chromodynamics），简称QCD‎；是一种试图描述强相互作用的量子非阿贝尔规范场理论，QCD‎是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论，它是粒子物理标准模型的一个组成部分。 量子色动力学所对应的规范群是SU(3)，其群量子数被称为颜色。每一味夸克有三种颜色，对应着SU(3)群的基本表示。其规范玻色子为八个零质量的自旋为1的胶子，（有八种）；对应着U(3)群的伴随表示。它们可以被夸克所吸收或发射，并传递夸克之间的色相互作用力。这个理论的动力学完全由它的SU(3)规范对称群决定。量子色动力学描述组成强作用粒子（强子）的夸克和与色量子数相联系的规范场的相互作用，可以统一地描述强子的结构和它们之间的强相互作用，被认为是有希望的强作用基本理论。

它不像量子电动力学那样是描述电磁相互作用的基本理论。一般我们所谈论的量子色力学是有其适用条件的；那是因为，由于理论之中的渐进自由性质，因此，在高能下其相互作用强度相对较弱，因此可以用微扰方法来很好地处理。但是在低能下其相互作用强度很强，微扰方法就失效了。至今量子色动力学仍然是一个没有被完全解决的问题。粒子物理学家们提出了许多处理方案，如：手征微扰理论，但其中最直接有效的还是肯尼斯·威尔逊的格点场论即 格点量子色动力学（格点QCD理论依靠强行运算从而可以计算出核子的质量......)。

质子和中子统称为核子，是人类认识到最早的两种重子。在1932 年时，查德威克发现了中子，紧接着海森堡提出了原子核是由质子和中子构成的模型。至此，当时人们认为自然界中存在三种基本粒子：质子、中子与电子;原子是由原子核和绕核运转的电子组成。后来，在人们开始研究将质子与中子结合，又令它们近距离时互相排斥，达到平衡、相对稳定状态的相互作用力（将质子、中子结合成原子核的相互作用力）时，产生了一个很大的困惑是质子和中子如何才能紧密结合在 10＾-13米大小的原子核之中呢？

一开始，有人认为这种相互作用是电磁相互作用来解释；而实验表明造成原子核这种结合和排斥的相互作用力非常强，超过质子之间的库仑力；并且不带电荷的中子也参与。因此，人们认为这是一种新的相互作用;又因为它的强度比电磁相互作用强，便将它定名为"强作用"或"强相互作用"。在这种相互作用力的作用下，会使不同数目的核子结合到一起，形成不同的原子核。不同原子核中的核子间的平均结合能是不同的，决定了原子核裂变和聚变时是释放能量还是吸收能量。

最早研究的强相互作用是核子(质子或中子)之间的核力，它是使核子结合成原子核的相互作用。在1935 年汤川提出了质子和中子是通过交换一种未知的介子(其质量介于质子和电子之间)形成原子核内很强的束缚力，这种介子称为π介子，其质量大约为 100至200MeV，它与交换无质量光子的电磁力不同，是短程力，这就开创了强相互作用的历史。

他在物理学界普遍不接受新粒子的情况下 ,大胆提出一种新的核力场理论 。介子场理论,又称单二介子交换理论,取得了重要成就。介子理论的提出 ,推动了核物理研究的发展 .在介子理论提出 10年后 ,π介子才被英国物理学家鲍威尔在宇宙射线中发现 ,证实了汤川秀树的假设 。由于汤川秀树对物理学发展所作出的贡献 ,他于 1949年获得诺贝尔物理奖 ；成为日本第一位诺贝尔奖获得者 ，汤川秀树的成功 ,轰动了整个日本。

可是好景不长，到了五十年代，随着高能加速器的快速发展，从加速器实验中发现了一大批参与强相互作用的粒子，到五十年代末六十年代初已发现了一百多种参与强相互作用的粒子；它们统称为强子，其寿命极短。这一理论对核子一核子(NN)相互作用,能作出许多有价值的定性说明,尤其是对核力的长程行为有很好的定量解释；但对核力中程性质的说明上,定量上很难解释。而当人们将汤川理论与核力实验相比较时就发现有效相互作用强度远大很多；因此，微扰理论不再适用，高阶项的贡献不仅不能忽略，而且使得整个理论计算变成无意义。换句话说，构建一个象最初的汤川理论 那样的可重整化的强相互作用理论并不成问题， 但真正的问题在于，由于强相互作用很强， 微扰理论变得毫无用处， 因此人们无法用这些理论做任何现实的计算。因此，很显然仅由质子、中子、π介子描述的强相互作用理论是不完备的。（未完待续）