从夸克到整个可观测宇宙（宇宙为什么没有单独存在的夸克）

在很长一段时间里，科学家都认为中子和质子不可再分，1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的，中文就是我们常说的夸克。

它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“向麦克老大三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）”。

截止目前为止，科学家共发现了12种味（(味指一种基本粒子的种类)夸克，包括上夸克 (u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、粲夸克 (c)、底夸克 (b)、顶夸克 (t)，及它们对应的 6 种味反粒子。

夸克还具有三种“色”的特性，因为在重子由 3 个夸克组成的图像上明显存在 着“自旋和统计对称性之间的矛盾”。并且要正确解释π介子衰变到双光子的衰变几率和 高能 −湮灭到各种强子的总截面都需要乘上因子“3”，所以为解决这个因子的问题，重新引入了一个量子数。这个新的量子数称为“颜色”。

色与粒子的电荷呈类比关系，分别是红、绿和蓝。夸克的“色”与视觉上的色彩无关，而仅仅是对于一种表现上几乎不超过原子核大小范围的性质的一项奇特名称。“色”这个词单纯是因为色的电荷有三种类型，类比于三原色，它形象地比喻夸克本身的一种物理属性。

科学家认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。因此如果计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克，另有它们对应的18种反夸克。

那么夸克是如何组合在一起形成复合粒子的呢？就好像我们做房子一样，是什么让砖头紧紧黏合在一起呢？我们都知道是水泥。

胶子就充当了水泥的功劳，众所周知，胶子是一种负责传递强力相互作用的玻色子。它们把夸克捆绑在一起，使之形成质子、中子及其他强子，所以，在每一个质子和中子内部，都有夸克和胶子，胶子是维持原子核稳定的重要一环。

已经发现的所有重子（质子和中子都是属于重子）都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。

除此之外，科学家还发现了2夸克态，从量子色动力学（CDE）原理来看，宇宙还存在6夸克态、5夸克态的粒子。

那么宇宙有没有单独存在的夸克呢？答案是没有，夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。

科学家尝试用对撞机撞开质子的时候，就遇到了一个难题，科学家发现质子中有个三不同的折射角，这其实意味着这当中有三个比质子更小的粒子存在，这就是夸克存在的证据。

但是，无论我们用什么办法去撞质子，都没有办法找到这些自由状态下的更小的粒子。夸克被一种神秘的力量紧紧束缚在了质子内部，无法以自由状态存在。

科学家曾经尝试过拿介子来获得自由存在的夸克，介子是一种很奇妙的复合粒子，π 介子、π-介子都是由一个夸克和一个反夸克组成的，

科学家试着把这两个夸克拉开。他们认为只要用足够的力，来抵消强力，也许你就能把这两个粒子扯开，并分离出带颜色的电荷和自由夸克。强力（强相互作用）是宇宙四大基本相互作用最强的一种，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。

但是在实践中却失败了。一旦你在试图把这两个粒子分开的过程中输入一定的能量，真空中就会自发地创造出一个反夸克/夸克对(通过爱因斯坦的E = mc^2)。在你试图把这些粒子拉开的过程中，科学家自发地创造了两个介子，而之前只有一个介子。

之所以会失败，科学家发现这和强力的性质有关，这种性质叫“渐近自由”。早在上个世纪30年代，物理学家毕约肯首先猜测在核子的深度非弹性散射下会有“标度不变现象”，即本来 两个具有质量量纲变量的函数退化为一个无量纲变量的函数的现象。该假想不久就被美 国斯坦福电子加速器中心(SLAC)的电子在核子上证实。而这种“标度不变现象”意味着在核子中夸克其实是自由的。

上世纪70年代初的“深度非弹”实验中“渐近自由”现象被观测到，1973年6月，两篇证明强相互作用的规范理论具有“渐近自由”特性的论文横空出世，比肩发表在美国物理学会的《物理评论快报》期刊上。

前一篇论文的作者是普林斯顿大学的大卫·格罗斯（David Gross）和他的博士生弗兰克·韦尔切克（Frank Wilczek），而后一篇论文的作者是哈佛大学的博士生大卫·波利策（David Politzer）。三个人因此分享了2004年度的诺贝尔物理学奖。

“渐近自由”指的是夸克之间的强相互作用与人们从引力和电磁吸引力所获得的直觉相反，距离越近，力越弱；距离越远，力越强。当两个夸克之间的距离小到一定程度（或者能量高到一定程度）时，它们彼此差不多是自由的；而当它们的距离逐渐增大（或者能量逐渐降低）时，束缚它们的吸引力会变得越来越强，以至于两者根本脱离不开。这正像橡皮筋一样，拉得愈长弹回的强度愈大，永远束缚在一起。

简单来说，就是在粒子之中，三个夸克可以自由自在地玩耍，强力对它们的影响微乎其微，但是它们一旦想要脱离粒子的束缚，踏出一定的范围，强力作用就会加强，将它们囚禁在粒子之中。

在高能量下(对应于较小的距离)，强作用力的相互作用强度降为零。在很远的地方，它增长得很快。这一思想被称为“渐近自由”，它已被实验证实是非常精确的。

这种现象也被称为之“色禁闭”（color confinement），因为带有颜色的夸克和胶子就像被囚禁在整体无色的“牢笼”里面。

“渐近自由”也意味着每个夸克都无法孤立存在，所以在自然界看不到单个夸克，或者说强子具有“夸克禁闭”的特征。

虽然“渐近自由”理论提出许多年，但是还有一些疑问并没有彻底揭开，目前在量子色动力学框架中，虽然定性地解释了夸克紧闭在强子内部的结构图像，但是要想定量地解释夸克囚禁疑难和强子结构图像仍是高能物理中的一大难题。

目前比较活跃的 格点量子色动力学正试图去解决这一难题，但是由于格点规范理论本质上是非围绕理论，其理论 方法不依赖于相互作用的强弱，所以首先必须想求得强相互作用的全部解，而目前为止，还没有办法做到。

引用论文：

1、科学网《奇妙的“渐近旋进”与“渐近自由》邢志忠

2、《强相互作用的渐进自由和“色禁闭”——基 于量子色动力学理论的一些定量、定性解释》北京大学 方托

3、《多夸克态研究概况》张宗烨