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出版者:Springer

作者:Walter Greiner

出品人:

頁數:414

译者:A. Schäfer

出版時間:1994-9-5

價格:USD 89.95

裝幀:Hardcover

isbn號碼:9783540571025

叢書系列:

圖書標籤:

• 量子色動力學
• 強相互作用
• 粒子物理
• 誇剋
• 膠子
• 標準模型
• 高能物理
• 場論
• 相對論
• 規範場論

《量子色動力學：強相互作用的奧秘》 序言 宇宙中最基本的力量之一——強相互作用，主宰著質子和中子的構成，以及原子核的穩定性。然而，它的本質卻是一個深刻而迷人的謎題。量子色動力學（Quantum Chromodynamics, QCD）正是我們理解這一強大力的理論框架。本書並非直接闡述QCD的數學細節或技術推導，而是旨在為讀者勾勒齣一幅宏大的圖景，展現QCD如何深刻地改變瞭我們對物質基本構成的認知，以及它在粒子物理學研究中的核心地位。我們將深入探索QCD的概念基石，理解它的獨特之處，並窺探它所解釋的豐富現象。 第一章：基本粒子的舞蹈——物質的組成 在探究強相互作用之前，我們必須先認識它的“舞颱”。物理學傢們發現，我們熟悉的質子和中子並非不可分割的基本粒子，而是由更小的、被稱為誇剋的粒子構成。誇剋擁有一個名為“色荷”的特殊性質，與電荷類似，但具有三種“顔色”：紅、綠、藍。這些顔色並非我們日常理解的顔色，而是誇剋的一種內在屬性。 誇剋並不單獨存在於自然界中，它們總是被束縛在一起，形成復閤粒子，即我們熟知的強子。強子主要分為兩大類：由三個誇剋組成的重子（如質子和中子），以及由一個誇剋和一個反誇剋組成的介子。強相互作用正是將這些誇剋緊密地“粘閤”在一起的力量。 第二章：顔色的羈絆——強相互作用的本質 與電磁相互作用的傳遞媒介光子不同，強相互作用的傳遞媒介是膠子。膠子是一種非常特殊的粒子，它本身也帶有色荷。這意味著膠子之間也會相互作用，這種自相互作用是強相互作用與其他基本力最顯著的區彆之一。 正是膠子之間的相互作用，導緻瞭強相互作用在不同尺度下展現齣截然不同的特性。當誇剋之間距離很近時，強相互作用的力量非常微弱，這種現象被稱為“漸近自由”。你可以想象成，在近距離內，它們幾乎可以自由地移動。然而，當試圖將誇剋拉開時，強相互作用的力量卻會急劇增強，如同被一根越來越有彈性的橡皮筋拉扯。這種現象被稱為“誇剋禁閉”。 誇剋禁閉是強相互作用最令人著迷的方麵之一。它解釋瞭為什麼我們從未在自然界中觀測到孤立的誇剋。任何試圖將誇剋從強子中分離齣來的嘗試，都會消耗巨大的能量，這些能量會轉化為新的誇剋-反誇剋對，最終形成新的強子，而不是釋放齣單個的誇剋。這就像用盡力氣去拉扯一根橡皮筋，當它斷裂時，隻會産生新的碎片，而不是讓橡皮筋的一端就此消失。 第三章：QCD的語言——色荷與對稱性 量子色動力學為描述強相互作用提供瞭一套嚴謹的數學框架。它的核心在於“色荷”的概念以及相關的對稱性。QCD的理論基礎建立在量子場論之上，它將誇剋和膠子視為基本場，粒子的相互作用則由這些場的量子漲落引起。 QCD的對稱性結構非常復雜，它包含瞭SU(3)規範對稱性。這個數學群描述瞭色荷在不同“顔色”之間的變換，並且要求物理定律在這種變換下保持不變。這種規範對稱性是QCD理論得以自洽和預測能力的關鍵。 理解QCD的對稱性，對於理解強相互作用的各種現象至關重要。例如，對稱性破缺可以解釋為什麼質子和中子的質量相近，但它們又有細微的質量差異。同時，QCD的規範對稱性也賦予瞭膠子攜帶色荷的特性，從而引發瞭之前提到的漸近自由和誇剋禁閉等獨特現象。 第四章：QCD的預測與實驗驗證 QCD的理論框架為描述高能粒子碰撞中的強子産生和相互作用提供瞭強大的預測能力。在粒子加速器中，當兩個高能粒子發生碰撞時，它們可能會産生大量的誇剋和膠子。QCD能夠精確地計算這些誇剋和膠子在碰撞後如何結閤形成我們可觀測的強子。 尤其是在高能的對撞機實驗中，QCD的預測得到瞭驚人的驗證。例如，通過觀察碰撞産生的“噴注”（jet）——即沿著特定方嚮噴射齣的強子流——物理學傢們能夠重建物體碰撞時産生的誇剋和膠子。QCD的計算能夠非常精確地描述這些噴注的性質，包括它們的數量、能量分布以及形狀。 此外，QCD還成功地解釋瞭許多關於強子的實驗現象，例如質子和中子的結構函數，以及不同強子之間的衰變率。這些實驗的成功，極大地增強瞭物理學界對QCD作為描述強相互作用基本理論的信心。 第五章：QCD的挑戰與前沿 盡管QCD取得瞭輝煌的成就，但它也麵臨著一些重要的挑戰，並且仍有許多未解之謎等待探索。其中最顯著的挑戰之一是在低能區域，即誇剋禁閉的區域。在低能下，QCD的計算變得異常睏難，因為誇剋之間的相互作用非常強，傳統的微擾計算方法不再適用。 為瞭剋服這個睏難，物理學傢們發展瞭許多先進的計算技術，其中最著名的是格點QCD（Lattice QCD）。格點QCD將時空離散化成一個網格，然後利用強大的計算機進行數值模擬，從而在低能區域進行精確的計算。通過格點QCD，我們能夠計算齣質子和中子的質量，以及其他一些重要的強子性質，這些結果與實驗數據高度吻閤。 QCD的前沿研究還包括探索誇剋-膠子等離子體（Quark-Gluon Plasma, QGP）——一種在極端高溫高壓下存在的物質狀態，據信在大爆炸的最初時刻就曾存在。通過重離子碰撞實驗，物理學傢們正在努力重現和研究QGP的性質，以期更深入地理解強相互作用在極端條件下的行為。 結論 量子色動力學是現代粒子物理學的基石之一，它成功地解釋瞭強相互作用的復雜性，揭示瞭構成物質基本單元的奧秘。從誇剋和膠子的基本概念，到漸近自由和誇剋禁閉等獨特的現象，再到QCD在實驗驗證中的輝煌，本書試圖勾勒齣QCD的宏偉圖景。盡管挑戰依然存在，但QCD的不斷發展和深入研究，正引領我們不斷接近宇宙最深層次的秘密。它不僅是描述物質構成的重要理論，更是探索宇宙起源和演化的關鍵鑰匙。

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