夸克和膠子是咋樣被發現的，此文說的明白

導讀：本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的，但世界的確定性不是我們能把我的。

另一方面，狄拉克所發展的相對論量子力學是量子電動力學的前奏，狄拉克方程作為狹義相對論框架下量子力學的基本方程，所描述的電子等費米子的旋量場的正則量子化是由匈牙利-美國物理學家尤金·維格納和約爾當完成的。狄拉克方程所預言的粒子的產生和湮沒過程能用正則量子化的語言重新加以描述。

經歷了早期取得的成功之後，量子電動力學遭遇了理論上一系列嚴重的困難：很多原本看上去平常的物理量，例如在外界電場作用下電子的能態變化（在量子電動力學的觀點看來屬於電子和光子的相互作用），在量子場論的計算方法下會發散為無窮大。到了二十世紀四十年代，這一問題被美國物理學家理查德·費曼、朱利安·施溫格、日本物理學家朝永振一郎等人突破性地解決了，他們所用的方法被稱為重整化。儘管他們各自研究所用的數學方法不同，美籍英裔物理學家弗里曼·戴森於1949年證明了費曼所用的路徑積分方法和施溫格與朝永振一郎所用的算符方法的等價性。

量子電動力學的研究在這時達到了頂峰，費曼所創造的費曼圖成為了研究相互作用場的微擾理論的基本工具，從費曼圖可直接導出粒子散射的S矩陣。

費曼圖中的內部連線對應著相互作用中交換的虛粒子的傳播子，連線相交的頂點對應著拉格朗日量中的相互作用項，入射和出射的線則對應初態和末態粒子的能量、動量和自旋。由此，量子電動力學成為了第一個能夠令人滿意地描述電子與反電子（旋量場）和光子（規範場）以及粒子產生和湮沒的量子理論。

量子電動力學是迄今為止建立的最精確的物理理論：量子電動力學的實驗驗證的主要方法是對精細結構常數的測量，至今在不同的測量方法中最精確的是測量電子的反常磁矩。量子電動力學中建立了電子的無量綱旋磁比（即朗德g因子）和精細結構常數的關係，磁場中電子的迴旋頻率和它的自旋進動頻率的差值正比於朗德g因子。

從而將電子迴旋軌道的量子化能量（朗道能級）的極高精度測量值和電子兩種可能的自旋方向的量子化能量相比較，就可從中測得電子自旋g因子，這項工作是由哈佛大學的物理學家於2006年完成的，實驗測得的g因子和理論值相比誤差僅為一萬億分之一，而進一步得到的精細結構常數和理論值的誤差僅為十億分之一。對里德伯常量的測量到目前為止是精度僅次於測量反常磁矩的方法，但它的精確度仍要低一個數量級以上。

左圖為：戴維·格婁斯

量子電動力學之後是量子色動力學的發展，二十世紀五十年代氣泡室和火花室的發明，使實驗高能物理學家發現了一批種類數量龐大並仍在不斷增長的粒子——強子，種類如此繁多的一批粒子應當不會是基本粒子。

維格納和海森堡起初按電荷和同位旋對這些強子進行了分類，1953年美國物理學家默里·蓋爾曼和日本物理學家西島和彥在分類時又考慮了奇異數。1961年，蓋爾曼和以色列物理學家尤瓦爾·奈曼進一步提出了強子分類的八重態模型。蓋爾曼和蘇聯物理學家喬治·茨威格於1963年修正了由日本物理學家坂田昌一早先提出的理論，並提出強子的分類情形可以用強子內部存在的具有三種味的更基本粒子——夸克來解釋。

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蘇聯物理學家尼古拉·博戈柳博夫和他的學生在1965年提出，對於由三個反對稱的（即具有同向自旋）奇夸克組成的Ω重子，由於這種情形違反泡利不相容原理，夸克應當具有一個另外的量子數。同樣的情形也出現在Δ++重子中，在夸克模型中它由三個反對稱的上夸克組成。同年，日本物理學家南部陽一郎等人分別獨立提出夸克應當具有一個額外的SU(3)規範對稱的自由度，這種自由度後來被稱作色荷。南部等人還進一步提出了傳遞夸克之間相互作用的媒介子模型，這種媒介子是一組八種色的規範玻色子：膠子。

實驗中對自由夸克的檢測總是以失敗告終，這使得蓋爾曼一再聲稱夸克只是存在於數學上的結構，不代表真實的粒子；不過他的意思實際是指夸克是被禁閉的。費曼認為高能實驗已經證明了夸克是物理實在的粒子，並按他的習慣稱之為部分子。蓋爾曼和費曼的不同觀點在理論物理學界產生了深刻的分歧，費曼堅持認為夸克和其他粒子一樣具有位置和動量的分布，蓋爾曼則認為雖然特定的夸克電荷是可以定域化的，但夸克本身則有可能是無法定域化的。

美國物理學家詹姆斯·比約肯指出如果夸克真的像部分子那樣是實在的點粒子，則電子和質子的深度非彈性散射將滿足特定關係，這一實驗由斯坦福直線加速器中心於1968年證實。1973年，美國物理學家戴維·格婁斯和他的學生弗朗克·韋爾切克，以及美國物理學家休·波利策發現了強相互作用中的漸近自由性質，這使得物理學家能夠利用量子場論中的微擾方法對很多高能實驗作出相當精確的預言。1979年，德國電子加速器中心的正電子-電子串聯環形加速器（PETRA）發現了膠子存在的直接證據。

與高能下的漸進自由相對的是低能下的色禁閉：由於色荷之間的作用力不隨距離增大而減小，現在普遍認為夸克和膠子永遠無法從強子中釋放。這一理論已經在格點量子色動力學的計算中被證實，但沒有數學上的嚴格分析。克雷數學研究所懸賞一百萬美元的「千禧年大獎難題」之一正是嚴格證明色禁閉的存在。

二十世紀二十年代，量子力學的建立給原子核物理帶來了嶄新的面貌。1932年密立根的學生卡爾·安德森在不了解狄拉克理論的情況下通過觀測雲室中的宇宙射線發現了正電子。

左圖為：歐內斯特·盧瑟福

同年，查德威克在盧瑟福提出的原子核內具有中子的假說的基礎上，在卡文迪許實驗室進行了一系列粒子撞擊實驗，並計算了相應粒子的能量。查德威克的實驗證實了原子核內中子的存在，並測定了中子的質量。中子的發現改變了原子核原有的質子-電子模型，維爾納·海森堡提出新的質子-中子模型，在這模型里，除了氫原子核以外，所有原子核都是由質子與中子組成。

1934年，法國的約里奧-居里夫婦通過用放射性釙所產生的α射線轟擊硼、鎂、鋁等輕元素，會發射出很多粒子產物，儘管之後移開放射性釙，仍舊會繼續發射粒子產物，這個現象導致了他們發現了人工放射性。

1934年，義大利物理學家恩里科·費米在用中子轟擊當時已知的最重元素——92號元素鈾時，得到了一種半衰期為13分鐘的放射性元素，但它不屬於任何一種已知的重元素。費米等人懷疑它是一種未知的原子序數為93的超鈾元素，但在當時的條件下他無法做出判斷。同年，費米又通過用中子和氫核碰撞獲得了慢中子，慢中子的產生大大加強了中子在原子核實驗中的轟擊效果。

1938年德國化學家奧托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼用慢中子轟擊鈾，從中得到了較輕的元素：鑭和鋇。哈恩將這一結果發信給當時受納粹迫害而流亡中的好友，奧利地-瑞典物理學家莉澤·邁特納，稱自己發現了一種「破裂」的現象。

邁特納次年在玻爾的肯定下發表了論文《中子導致的鈾的裂體：一種新的核反應》，將這種現象稱作核裂變，並為裂變提供了理論上的解釋。

邁特納所用的解釋就是愛因斯坦的狹義相對論中的質能等價關系，從而解釋了裂變中產生的巨大能量的來源。她計算出每個裂變的原子核會釋放2億電子伏特的能量，這一理論解釋奠定了應用原子能的基礎。同年，德國-美國物理學家漢斯·貝特解釋了恆星內部的核聚變循環。

摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》

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