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[建议] 量子色动力学2

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发表于 2016-9-25 07:07:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
量子色动力学(Quantum Chromodynamics,简称QCD)是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论,它和量子电动力学是粒子物理标准模型的一个组成部分。
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 楼主| 发表于 2016-9-25 07:09:15 | 显示全部楼层

讽刺的是

屏蔽效应和EMC效应提出的问题,就是要找到一种能同时描述原子核结构函数和核子结构函数的全面QCD表述方式。这样就能够把对核子结构的认识转变为对原子核结构的认识。至少从原则上讲,QCD理论是一种能够解释所有原子核结构的基础理论。但实际上,理论物理学家们却要用各种剔除了QCD理论中错综复杂的内容之后的核结构模型来理解原子核。哈罗德Fritzsch写到:“讽刺的是,QCD理论没有提供多少有关强相互作用的内容,而这正是我们研究的最初动机。” 根据Wilczek的想法,QCD理论和核物理之间的关系同QED理论与化学的关系很相似。量子电动力学构成了化学反应的基础,但是在现实中,化学家都有键、轨道等一些概念工作。
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 楼主| 发表于 2016-9-25 07:10:18 | 显示全部楼层

某种剩余作用力

化学为QCD理论怎样用于核物理提供了一套生动的例子。氖是一种惰性气体,但是在—246℃,氖会变成一种液体,温度再低两度,它就会变成晶体。这就表示,尽管每个原子都是一个不带电荷的近乎完美的球体,但各个原子之间实际上还是存在某种剩余作用力。实际上,当两个原子相互靠近的时候,它们能够并且确实感受到彼此所带的电荷。每个原子所带的电子云相对于原子核都发生了微小的偏移——每个原子带正电的核心不再同电子云的中心重合。结果,每个原子都会呈现出一点儿电极性,因此距离很近的两个原子之间会存在吸引力,这就是van der Waals力。
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 楼主| 发表于 2016-9-25 07:11:23 | 显示全部楼层

基本上和“圣水”相同

把这种模型应用到核物理中,电荷为零的氖原子就要替换成颜色荷为零的核子。核子之间不会直接有基于颜色的作用力,就像氖原子之间不存在直接基于电荷的作用力一样。但是相邻的核子能够改变彼此颜色云的分布。同van der Waals力引起了氖原子之间的相互作用力类似,变形的颜色云之间也会产生一种类似的力。正是这种类似于van der Waals力的相互作用,在原子核中将核子结合在一起。
发生强相互作用的夸克中心发生偏移,导致将单个核子结合到一起的核力。QCD理论最终可能会为我们提供理解原子核的基础,但借用Wilczek的话说,QCD理论在原子核结构实际问题中的角色,基本上和“圣水”相同。
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 楼主| 发表于 2016-9-25 07:12:25 | 显示全部楼层

双重对偶变换

用我们的理论可以解释色力是如何演变成核力的。已知,van der Waals力是由电荷中心的涨落引起的,但是这种感生偶极子-偶极子相互作用很弱,实际上壁虎之所以能在天花板上行走,用的就是van der Waals力。相比之下,色力的耦合常数是0.1,核力的耦合常数是13.5,很显然,要想让色力演变成核力,必定有某种机制将涨落放大了。确实存在将涨落放大的机制,经过颜色场→色磁场→爱因斯坦→牛顿的双重对偶变换后会产生赝超对称性,此时的牛顿-庞加莱统计会将涨落放大;核子中的夸克会被凝聚成为一个整体,从而颜色力被约化成了核力。这和氦3超流体以及铁磁体有相似性,在这两种凝聚体里,都存在偶极-偶极相互作用被放大的机制。
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 楼主| 发表于 2016-9-25 15:44:12 | 显示全部楼层

超精细劈裂

考察介子的不同SU(3)的8重态发现,夸克-反夸克的组成味相同,基态轨道角动量相同,只是相对自旋取向不同质量不同。它们之间的质量差很容易和原子体系的自旋-轨道相互作用,或者是自旋之间的相互作用(超精细劈裂)类比来加以说明。对于氢原子情况,这种超精细劈裂是很微小的,即天文学中著名的氢21厘米谱线。
显然用电磁相互作用来说明不同强子由于自旋态不同引起的质量差别是不可能的。组成强子系统的夸克都具有“色荷”,可以想象与夸克自旋对应的形成一个具有强相互作用特征的“色矩”。这种“色矩”与构成强子的夸克(反夸克)的自旋态直接相关,“色矩”正比于夸克(反夸克)的自旋,反比于它们各自的质量。
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 楼主| 发表于 2016-9-28 06:21:30 | 显示全部楼层

标准模型

在过去的20年,物理学家做了大量实验,通过那三种力的自我表现和它们在第1章介绍的物质粒子中的作用,来检验量子力学的处理方法。理论安然面对了所有的实验挑战。实验家们测量了19个特别的参数(表1. 1中的粒子质量和第1章注释1中补充的力荷、表1.2中的三个力的强度,以及几个别的我们不需要讨论的参数),理论家将这些数引进物质粒子和三种力的量子 场理论,结果,这个微观宇宙的理论作出的预言与实验符合得好极了。在我们今天的技术条件下——所达到的能量可以将物质粉碎到百亿亿分之一米的大小——理论都是正确的。因为这一点, 物理学家把这个关于引力外的三种力和三族物质粒子的理论叫做标准理论,或者,更多的时候称它是粒子物理学的标准模型。
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 楼主| 发表于 2016-9-30 06:06:45 | 显示全部楼层

标度不变性

事实上,要解决量子电动力学的基本困难是可能。做一个倒数变换,从动量空间变换到位置空间,无穷大量就变成了无穷小量,然后再减除。在固体物理里,这相当于从倒格子空间转换到正格子空间。这意味着海森堡测不准原理ΔxΔp是以等式形式出现的。幺模仿射变换是保面积ΔxΔp不变的变换,同样,Lorentz变换也是一种幺模仿射变换。这也意味着我们的看法是正确的:电荷是个无穷远点。
临界现象里也有一种类似的情形,热力学理论推导出的临界指数之间的关系是以不等式形式出现的,而实验结果给出的临界指数之间的关系是却是以等式形式出现的;我们知道,这是由于临界指数服从标度不变性而引起的。重正化的基础是标度不变性,而作为参考点的无穷远点,第一能够以无穷小量的形式出现,第二也满足标度不变性。我们看到,量子场论的困难可能是量子场论的专家们想太多了引起的,闵可夫斯基空间中的度规,不是幺模仿射变换下的不变量。
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 楼主| 发表于 2016-10-2 05:37:02 | 显示全部楼层

微观传递机制

光子、胶子和弱规范玻色子提供了它们所组成的力的微观传递机制。例如,当一个带电粒子排斥另一个带同性电荷的粒子时,我们大体上可以想象每个电子都裹着一个电场——一团“电的云雾”——每个粒子感觉的力就源自那“两团云”的排斥。不过,更准确的量子图景却多少有些不同。一个电磁场由一群光子组成,两个带电粒子间的相互作用实际上是光子在两个粒子间往来“出没”的结果。两个带电粒子通过交换小小的光子而相互影响,这个过程有点儿像两个溜冰的人在传球,通过传球,两个人的运动状态都将受到影响。
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 楼主| 发表于 2016-10-3 05:01:26 | 显示全部楼层

像华尔街的股市

明白这一点的关键是量子的计算方法。我们在前一章看到, 粒子(例如电子)可以暂时“借”能量来克服难以逾越的物理障碍——就像人们常常可以借钱渡过难关。这是对的,但量子力学迫使我们将这类比向前推得更远。我们想象一个不得不靠借钱生活的人,他去求一个个朋友,每个朋友只能借他几天,他只得找更多的朋友,这家借,那家还,还了借,借了还——他费好大力气借来钱,不过是为了尽快把它还掉。像华尔街的股市,哪一天狂涨狂跌了,他的钱也随时在变。不过,当一切平息过后,他还跟当初一样,一点儿也没富起来。
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 楼主| 发表于 2016-10-7 05:36:40 | 显示全部楼层

黯然失色

到1970年,情况变了。芝加哥大学的南部阳一部 (Yoichiro Nambu)、尼尔斯玻尔研究所的尼尔森(Holger Niel-sen)和斯坦福大学的苏斯金(Leonard Susskind)揭示了藏在欧拉公式背后的物理学秘密。他们证明,如果用小小的一维的振动的弦来模拟基本粒子,那么它们的核相互作用就能精确地用欧拉函数来描写。假如这些弦足够小,它们看起来仍然像点粒子,所以还是能够与实验观测相符。虽然强力的弦理论直观、简单,也令人满意,但不久人们发现它也有失败的地方。20世纪70年代初,高能实验已经能探索更深层的亚原子世界,实验表明,弦模型预言的某个数直接与观测结果相矛盾。这时候,作为点粒子量子场理论的量子色动力学也在发展着,它在描写强力时获得了压倒一切的成功,弦理论当然也就黯然失色了。
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 楼主| 发表于 2016-10-12 06:03:12 | 显示全部楼层

这种想法不可取

那么哥本哈根派如何解释这个理论呢。他们认为,现实中不存在既有精确的p,又有精确的q的电子。电子不是客观的,它与我们的测量方式不可分开。我们用什么方法观测,电子便出现什么样的状态,从十分精确到十分模糊。我们的结论和我们的观测行为本身大有联系。也许有人会想,就算理论上限制了我们无法测准p和q,但电子事实上同时有精确的动量和位置,只是我们无法得知罢了。但是在科学上,这种想法不可取。两种观点同样表达一个意思,其中一种观点多了一个假设,我们应该赞成假设少的那种。
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 楼主| 发表于 2016-10-14 07:25:38 | 显示全部楼层

实验事实

依照QCD的解释:在高能粒子对撞时,夸克喷注就是强子破碎裂成夸克碎片所致,而胶子喷注则是强子破碎裂成夸克片以后,由一个夸克发射的硬胶子形成的。这就必然有如下两个问题及实验事实:
1、任何有强子参与的高能粒子对撞,只要有足够的能量,就都应当有强子破碎的夸克喷注生成。但实际上,只有在正-反高能对撞中才容易有喷注形成,而像轻子与核子对撞的深度非弹性散射等大量其他的高能粒子对撞实验,实际就都没有喷注。
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 楼主| 发表于 2016-10-14 07:37:00 | 显示全部楼层

牛顿第三定律

2、既然夸克可以发射一个硬胶子形成胶子喷注,由于夸克作用是相互的,为什么不可是一对夸克都发射硬胶子形成一对胶子喷注?而且还应当是任何有强子参与的高能粒子对撞,只要有足够的能量,就都应当形成胶子喷注。但实际上认为的胶子喷注,它也只出现于正、负高能电子对的碰撞。
我认为,喷注可能是牛顿-庞加莱统计直接转化成玻色统计形成的。这属于非微扰QCD的范畴,这恰恰是QCD的软肋。牛顿-庞加莱统计直接转化成玻色统计需要牛顿第三定律的帮助,而正、反高能对撞是牛顿第三定律的量子版本,提高了喷注形成的几率。

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 楼主| 发表于 2016-10-18 05:22:51 | 显示全部楼层

核子的“自旋危机”

在20世纪80年代后期的极化电子-极化靶深度非弹性散射结果表明,如果认为质子由两个u夸克和一个d夸克组成,则根据Bjorken无标度极限给出的结果远小于质子自旋的1/2,大大出人意料之外。在当时这被称为核子的“自旋危机”。从深度非弹性散射的实验得知,质子内的胶子携带了质子动量的一半,胶子(自旋为1)的自旋和轨道角动量对质子自旋应该有贡献。夸克-胶子系统是相对论性的,胶子能转化为夸克-反夸克对。因此质子除两个u夸克和一个d夸克(称为价夸克)外还可以有许多夸克-反夸克对(uū,…),它们被称为“海夸克”。实验表明,由夸克(包括价夸克和各味的海夸克)自旋所提供给质子自旋的成分是Σ约为1/3,且两个实验室CERN和SLAC的结果趋于一致。
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 楼主| 发表于 2016-10-20 06:17:19 | 显示全部楼层

质子自旋

三个实验组的结果符合的很好,在分析实验数据时还使用了精确的理论计算的配合。实验结果是:Σ =Δu + Δd + Δs = 0.27,即各种夸克对质子自旋的贡献不到30%。胶子自旋贡献的精确测量数据也由布鲁克海文实验室的相对论重离子加速器的极化质子-极化质子对撞(RHIC-spin)和CERN的COMPASS实验提供。上面讨论的是核子(夸克)自旋沿动量方向的情况。
对核子(夸克)自旋垂直动量方向还有另一种分布函数,称为“横向性” (transversity)。横向性和轨道角动量贡献的信息不能直接测量获取,它们仅能由“遍举分布函数”的理论推出。遍举分布函数是指与部分子距核子质心距离有关的分布函数。前面讨论的深度非弹性过程,对产生的强子不再作具体分析,而把它们当作一个整体。这称为“非遍举(inclusive)过程”。
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 楼主| 发表于 2016-10-25 11:37:31 | 显示全部楼层

诺贝尔奖

回顾往事,我们清楚知道,量子色动力学是夸克和胶子(规范玻色子)的一个非阿贝尔规范理论。我们幼稚地猜想,量子色动力学的创立包含两个要素:夸克的引进(或建构,或发现),SU(3)色规范对称的引进(或构建,或发现)。自1964年以来,夸克被茨维格(G. Zweig)、南部阳一郎(Y. Nambu)、戴利兹(R.Dalitz)以及其他众多学者加以引进和研究;SU(3)色规范对称是在1965年由南部阳一郎明确引进的。这样,利普金(H.J.Lipkin)——一名杰出的理论物理学家——在1992年的SLAC会议上宣称:
作为描述强相互作用的量子色动力学的诺贝尔奖应该授给萨哈罗夫(Sakharow)、泽多维奇(Zeldovich)和南部阳一郎。他们在1966年就已经将量子色动力学:巴尔末公式、玻尔原子、以及强相互作用的薛定谔方程全部弄清楚了。所有随后通向量子色动力学的发展无非只是些数学以及与新物理学无关的普通关系。
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 楼主| 发表于 2016-10-30 05:19:32 | 显示全部楼层

夸克又如何

目前,夸克又如何呢?事实上,夸克的实验发现正是先前理论发现的实验证实。那么谁在理论上发现夸克呢?现在夸克被看作是强子的组成部分,并拥有一整套的结构特征,例如,分数电荷、带色的、以及总是和带色矢量胶子相耦合。这些特征经常融合在一起,为识别某物是否是一个夸克而服务。依据这一标准来进行判断,那么盖尔曼和茨维格在1964年、以及随后南部阳一郎和其他许多人所提出的夸克概念,或多或少只能看作是迈向发现那种实在物理实体夸克的其中一步,而不是发现本身。本文的最后,我们将重回这一有趣而紧要的议题。
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 楼主| 发表于 2016-10-31 04:55:46 | 显示全部楼层

理论上

显然,诺贝尔委员会并没有倾听利普金的意见。但是同样清楚的是,要去鉴别致使量子色动力学得以创立的关键步骤,仍旧荆棘满途。不过,假如我们思索一下致使量子色动力学诞生的那些科学发展的丰富结构,则一切将变得豁然开朗。这些科学发展发生在冲突、混乱和错误观念交织的背景里。
理论上,量子色动力学得以从中诞生的学科基质包含三部分:S-矩阵理论、流代数、组分夸克(constituent quark)模型。
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 楼主| 发表于 2016-11-3 05:00:22 | 显示全部楼层

S-矩阵理论

S-矩阵理论的兴起起因于介子理论中无法消除的错误和朗道对量子场论的严厉批评(量子场论是基于微观时空和微观因果律的错误信念,事实上对人类认知而言它们都是不可触及的)。这种矩阵理论以色散关系、雷琪轨迹、自助方案或者核平权的形式由盖尔曼和戈德伯格(Goldberger)所开创,然后由丘(G.Chew)所引领。为了避免会令量子场论黯然失色的无穷大,主张自助方案者在经验上坚持容易够到的渐近态(这些态处于相互作用的领域之外)。从基础性追问“在强子相互作用中发生了什么事?”转向对该问题的现象性追问,这种追问是由理解散射过程中的普遍原理(例如因果性和幺正性)所指引。并且,这些相互作用依据散射辐中的极点(顶点)、同时使用像柯西—黎曼公式那样的色散关系去表达一个S-矩阵元(根据这一矩阵元的奇点)而被概念化。他们声称所有像S-矩阵的极点那样的强子都位于雷琪轨迹上,这是用于刻画复合特征的。一个必然的结论是:所有强子都与复合粒子享有同等的地位。在强子层次上并不存在按照原子论观念的一个分割的终点,也不存在所谓的基本性粒子。更不用说在一个更深的、无法触及的层次了。
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