超炫漫话：20世纪60年代的全球强子热与维尼齐亚诺先生的荣誉

弦的发现始于人们对强相互作用的研究。20世纪60年代，整个星球上都弥漫着一股“强子热”，而维尼齐亚诺先生就是靠研究强子享誉全球的。

质子、中子统称强子。将质子、中子结合成原子核的力称为强相互作力。质子都带有一个单位的正电荷，中子不带电，将它们黏合在一起，需要多么强大的力啊！强相互作用力在四种基本相互作用力中最强，作用距离最短，在原子核半径大小的范围内（10-5米），是短程力。描述强相互作用的理论叫作量子色动力学。能量不太高时，介子是强子相互作用的媒介。

在强相互作用的研究中，物理学家们被两个问题困扰着，一是强子的巨量增生。由于强子的共振，产生一系列被人称为亚原子的共振态；二是原子核内部的强相互作用和弱相互作用同时存在，二者的行为显著不同。当时发现强子是由夸克构成的，每种夸克都存在对应的反夸克。共有六种夸克：上夸克u，下夸克d，粲夸克c，奇异夸克s，顶夸克t，底夸克b，加上对应的反夸克，不计夸克的“色”，共有12种。计及夸克的“色”，总计36 种。因为人们赋予夸克三种色：红、蓝、绿。所谓“色”和“味”，是人们为了描述强相互作用的需要而不得不赋予夸克的性质。有人说，如此人为地强加给夸克的性质，实际存在吗？这不是画蛇添足吗？难道夸克是任人打扮的待嫁的新娘子吗？不！尽管实验尚未证实，但是科学理论的自洽性要求必须如此。胡适先生说，学术研究要“大胆假设，小心求证”，斯言然也。例如，质子是由两个u 夸克、一个d 夸克构成的；而反质子是由两个反u 夸克、一个反d 夸克构成的；中子是由两个d 夸克、一个u 夸克构成的。

考虑到色和味，中子由一个u 绿上夸克，带有2/3 个正电荷，一个d 蓝下夸克，带-1/3 个负电荷；一个d 红下夸克，带-1/3 个负电荷，所以中子所带总电荷为（2/3-1/3-1/3）=0。质子由一个u 蓝上夸克，带2/3 个正电荷；一个u 红上夸克，也带2/3 个正电荷，一个d 绿下夸克，带-1/3 个负电荷，所以质子带有（2/3+2/3-1/3）=1 个正电荷（见图1.1 中子结构图和质子结构图）。在强子理论的研究中，名不见经传的研究者数不胜数，杰出的研究者有美国人默里·盖尔曼、G·茨威格，日本人坂田昌一、汤川秀树，中国人丁肇中，等。当然，在强相互作用的研究队伍中，其领军人物非默里·盖尔曼莫属。

在能量非常高时，强子的相互作用就是夸克之间的相互作用，夸克具有色荷，色荷之间通过交换“胶子”最终实现强子的重新组合。

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图1.1　中子结构图（左）和质子结构图（右）

具有色荷的夸克之间通过交换胶子而相互作用。胶子有8 种，它们的质量为0，自旋为1，电荷为0，色荷非零。

强相互作用的特点是什么呢？首先，强相互作用力的强度最大。电磁相互作用强度为1/137，而强相互作用强度几乎是该值的1000 倍，更比弱相互作用、引力相互作用强大得多。第二，强相互作用力程短，为10-15米，仅限于原子核内部。第三，强相互作用力遵守能量守恒、动量守恒、角动量守恒、电荷守恒、轻子数守恒、重子数守恒、同位旋守恒、宇称守恒、同位旋守恒和奇异数守恒。最后，强相互作用力像被拉伸的弹簧，拉伸的位移越小弹力越小，在小于10-14厘米的范围内渐近变小。

正是由于强相互作用这些不同寻常的性质，才“引无数英雄竞折腰”。直到2017年4月中旬，中国科学院高能物理研究所在曲阜师范大学召开第二届强子理论物理研讨会，专家云集，大家相互磋商强子理论中尚未解决的各种难题。如果你有兴趣，并且“衣带渐宽终不悔”，你也可以参加此类研讨会，说不定你也可能成为强子研究的专家呢！因为在这一领域仍然存在着众多问题。