为啥夸克有的预测不了（为什么夸克不能自由存在）

向麦克老大三呼夸克！——《芬尼根守灵夜》詹姆斯·乔伊斯

物质之下是原子，原子之下是亚原子粒子，它们分别是电子、质子和中子，再往下就是最基本的粒子「夸克」！我们都知道夸克不能单独存在，它必须在强核力的作用下束缚在一起，形成一些复合粒子，但这是为什么呢？我们经常会听到「这是因为夸克禁闭！」那夸克为何禁闭呢？今天我们就说下「为什么不存在自由夸克？」

强力是自然力中最奇怪的力。它把单个质子和中子结合在一起形成原子核，并且解释了核聚变和裂变的质量损失问题，控制了标准模型中一半以上粒子的相互作用。为什么说强力最奇怪呢？首先从“最简单”的力「引力」说起。

引力的作用性质

引力从某种程度上说确实很简单，因为在生活中引力很普遍，很容看到。在宇宙中的任何事物都有这么一种固有的属性，它要么有质量、要么有能量或者两者兼有，那么两个有质量或能量的物体彼此之间就会施加一种力，这就是引力，也是牛顿的说法。如果按爱因斯坦的说法就是：质量（能量）会弯曲时空结构，而物质会沿着弯曲的时空结构运动。

其实质量或能量可以通过E = mc^2结合在一起来考虑，它们其实是一个东西！为了方便下文的对比，我们现在称其为引力电荷。引力电荷只有一种「正电荷」，当然力也就只有一种「吸引力」。所有带引力的物体（任何带质量的物体）都会吸引其他带引力的物体，如果引力电荷变大或物体靠近，引力就会变大。根据牛顿引力方程，质量增加两倍受到的力也会增加两倍，而距离减少一半受到的力会增加四倍。如果我们把受引力作用的物体移到很远很远的地方，那么它们之间的引力就会降为零。这一点非常重要：

当两个质量物体之间的距离越来越大时，引力就会降为零。

这就是引力，在长距离的情况下，所有的物体（黑洞视界之外的东西）都能以足够的能量（动能）获得自由。下面我们说电磁力！

电磁力的特性

当我们考虑电磁学的时候，电磁力就稍微比引力复杂了一点。但在某种程度上电磁力和引力也非常像，因为电荷加倍，电磁力就会加倍，距离减半，电磁力也增加四倍。区别是电磁力有两种不同类型的电荷：正电荷和负电荷。

同种电荷（正电荷和正电荷）相互排斥，而相反的电荷（正电荷和负电荷）相互吸引。这一点和引力有相当大的区别，因为在电磁力上不仅有吸引，还有排斥。在力的形式上（距离更小力更大）依然和万有引力是一样的。虽然带两种类型的电荷（正电和负电）互相吸引，但在很远的距离上，力依旧会降为零。

这两种力「万有引力和电磁力」是生活中最常见的力，因此这两种力也很符合我们的直觉。但是当我们遇到强力时，一切都变的不一样了。

夸克的色荷

首先在强力中，不只一种或两种电荷，而是有三种色荷（下面我们都称电荷）。它不像质量（引力电荷），总是为正，变现出吸引力；或者不像电荷，可以是正的，也可以是负，可以是吸引力，也可以是排斥力，这取决于正负电荷的组合形式，而所有的夸克都带有三种电荷中的一种：红色，绿色或蓝色。

第二，电荷不是夸克的固定属性！比如一个有质量的粒子（例如电子），那么这个质量就是这个粒子固有的性质；比如一个带电荷的粒子（还是一个电子），电荷就是粒子本身的属性「电荷不会改变」。但是对一个夸克来说就不是这样的，比如说，某一个夸克是一个带有 （2/3）e电荷的红色夸克，它的固有质量大约是2.3 MeV/c^2，但是这个夸克的“红色”性质不是固有而是短暂的！当我们在几分之一秒后再看这个夸克时，它可能是蓝色的，也可能是绿色的，这取决于它所经历的相互作用！

第三，强力总是会变现出吸引力，这一点和引力或电磁力的表现方式不一样。后面我们再说这么问题！

首先我们先看一下夸克的“颜色”（色荷）在一个中子的内部是如何变化的。

在一个中子里有一个上夸克和两个下夸克，对于三个夸克，可能有两个红色和一个蓝色，两个蓝色和一个绿色，或者三个绿色？三个红色？三个蓝色？事实证明并没有，因为在任何时候，三个夸克中总是有一个红色，一个绿色和一个蓝色。这些夸克通过胶子来交换颜色，每个胶子含有一种颜色和一种反色，总共有八种正反色组合。

有三种颜色（红、绿、蓝）和三种反色（反红=青色、反绿=红、反蓝=黄）这里更多的问题，胶子为何是8种正反色组合，可以通过头条APP搜索「胶子在夸克间是怎样传递强力的？」，第一条内容就是更加详细的解答。

所以夸克的色荷真的很奇怪！引力只有一种电荷：正电荷只表现吸引力。电磁力，有两种类型的电荷：正电荷和负电荷（其中负电是“反正电”），它们结合在一起可能具有吸引力，也可能具有排斥性。但是现在对于色荷，我们有三种类型，每种类型都有自己的反类型！这些类型和反类型都以一种非常奇怪的方式联系在一起。

我们把红、绿、蓝三个颜色看作是组成等边三角形的三个“方向”。如果想要夸克的色荷发生交换，而且表现出中性，就必须存在某种特定的夸克组合。因此可以有三个夸克，三个反夸克，一个夸克-反夸克的组合，或者更多的，例如：四个夸克和一个反夸克，两个夸克，两个反夸克，六个反夸克等等！不在乎夸克的组合有对奇怪，有多复杂，只要保证它们组合在一起呈中性“无色”就行，或者我们简单地称之为白色。

所以这就解释了为什么我们看到质子和中子（重子是三夸克的组合）、反质子和反中子（反重子，每个都有三个反夸克），或者π介子和K介子（介子，夸克和反夸克的组合），必须是无色的。

为什么不存在自由夸克

如果我们取一个π介子，它可以是一个上夸克和一个反上夸克的组合，然后我们试着把夸克-反夸克组合拆开？我们能做到吗？

当我们想要分离两个夸克的时候，两个色荷离得越远，吸引力就会越强。这有点像弹簧，拉得越远，弹簧“弹回”的力就越大。

如果我们给系统注入大量的能量，使夸克继续分离，最终需要的能量可以足以在空间中创造出新的粒子-反粒子对！

造成这一现象的原因是，强力与其他的力不同。在引力中，如果有一个单独的质量（引力电荷），它产生的力在质量附近很强，但是远离时，就会降为零。在电磁力中，如果有一个单独的电荷，它所产生的力（无论是吸引的还是排斥）在离电荷很近的地方很强，当远离时，也会降为零。

但是在强力中，如果有一个单独的颜色电荷，它产生的力会随着距离的增加变得越来越强，只有当两个色荷离的非常近的时候力才会降为零！如果宇宙中曾经有过自由夸克的存在，即使是存在了很短的一段时间，也需要大量的能量来产生自由夸克，而这时的能量也会在真空中产生粒子-反粒子对，直到所有的色荷变成无色。其实这就发生在宇宙暴涨后不久的大爆炸初期，这是宇宙的能量是我们无法现象的，我们称这个时期为「夸克-胶子等离子浓汤！」

所以永远不会有一个在宇宙中持续存在自由的夸克，因为“自由”所需要的能量足以产生新的粒子，而这些粒子将会自发地将自己限制在无色状态。

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