微观到结合夸克构成质子的“强核力”，它非常有意思

北京时间5月7日消息，据国外媒体报道，引力、电磁力、弱核力、强核力——四种已知自然力都有属于自己的独特位置，每一种力都在我们的生活中掌管着一片小天地。虽然地球上是引力、光的电磁力在日常生活中发挥主要作用，但两种核力也扮演了关键角色——只不过作用尺度非常、非常小而已。

有多小呢？想象你的身体膨胀到了整个太阳系那么大，你的双手在奥尔特云中摇摆，八大行星则飘在你的肚脐上方。你的身体太过庞大，电信号要花上几周、甚至数月时间，才能穿过你的整个神经系统。即使做再简单的手势，动作也极其缓慢。

这就是你现在的大小（大概一米多）与10^15米之间的差距。

现在让我们反过来想。想象一个极小的尺度，对这个尺度而言，你的身体就像太阳系那么大。在这个尺度看来，你的动作也慢得不可思议。这个极小的尺度单位名叫“费米”（femtometer），相当于10^-15米。而这就是原子核的尺度。

▲质子由三个夸克构成。每个夸克都有自己的“色荷”。它们由强核力结合在一起

质子内部

从我们的视角来看，很容易把质子想成一个单独的粒子，外面有一层由正电荷和质量构成的外壳，能像台球一样弹来撞去。但事实上，质子由三个更小的粒子构成，而这三个粒子有一个有趣的名字：夸克。自然界中一共有六种夸克，但就质子而言，我们只需要关注其中两种，分别叫上夸克和下夸克。

刚才说到，质子由三个夸克构成，包括两个上夸克和一个下夸克。这些夸克相互结合在一起，形成一支团队，而这支“团队”就是我们所说的质子。

然而，这样根本说不通。

两个上夸克所带的电荷完全相同（因为它们属于同一类粒子），本应相互排斥才对，怎么能如此牢固地结合在一起呢？

此外，我们通过量子力学得知，两个夸克无法同时处于同一种状态，因此不可能让两个夸克同时以同一种方式结合在一起，也不可能让它们以这种方式共存。然而不知何故，这两个夸克不仅能“忍受”对方的存在，甚至似乎还很喜欢对方的“陪伴”。

到底发生了什么事情呢？

不一样的“色彩”

上世纪五六十年代，物理学家开始意识到，质子并不是最基本的粒子，它还可以分解成更小的部分，所以他们开展了大量实验，并提出了多种理论。结果，他们先是发现了夸克的存在，然后又遇到了上述难题。

肯定有某种东西将这三个夸克结合在了一起，并且它的力量非常、非常强大，是一种全新的自然力。

这就是所谓强相互作用力。

这种假设出的强相互作用力通过简单的蛮力解决了夸克共存的问题。你们无法同时处于同一种状态，所以不愿意待在一起是吗？没办法，强相互作用力会强迫你们俩待在一起，这样一来，问题就解决了。

此外，每一种力都有一个对应的连接点，就像一只钩子一样。这能帮你判断这种力对你造成了多大的影响。对电磁力而言，这个连接点就是电荷；对引力而言是质量；而对强核力而言，物理学家也得找出一种对应的“钩子”。最终，物理学家选定了“色荷”（color）这个词。

因此，假如你、或者你知道的某个粒子拥有这种名叫“色荷”的性质，你就能感受到强核力。你的色荷可以是红色、绿色、或蓝色（还有“反红色”、“反绿色”和“反蓝色”，因为生命必定不会那么简单）。要形成一个像质子那样的粒子，所有夸克的色荷加在一起必须为白色。因此，如果一个夸克是红色，另一个是绿色，最后一个就必定是蓝色。色荷的具体分配情况并不重要（事实上，每个夸克的色荷也会不断变化），重要的是，所有夸克的色荷加在一起必须是白色，这样强核力才能发挥作用。

有了色荷这种新性质，质子内部的夸克就可以同时处于同一种状态了。因为有了色荷，两个夸克就不算完全相同，毕竟它们各自的色荷不一样。

超级强度

想象一下，你拿着两把小小的钳子，夹住质子中的两个夸克。你有锻炼的习惯，所以你的力气可以胜过强核力。

但强核力有个奇怪的性质：它的强度并不会随着距离的增大而减小。而其它力都会如此，比如引力和电磁力。但强核力的强度却始终如一，无论夸克之间相距多远，都不会有所减弱。

因此，你要想将这些夸克掰开，就要不停加入更多的能量，才能维持它们的分离状态。你加入的能量越来越多，最终积累了足够多的能量，以致于夸克之间的真空中又诞生了新粒子、新夸克……

而这些新夸克又会立即找到“小伙伴”，彼此结合到一起。你花了半天工夫，出了一身大汗，最后还没来及把两个夸克掰开多远，这一切就会功亏一篑。等你以为自己总算把两个夸克掰开之后，它们已经找到了新伙伴、建立起了新的结合关系。这一效应叫做“夸克约束”，强核力实在太过强大，导致我们永远也不可能看见一个孤立存在的夸克。

而我们永远也无从得知这个夸克的“颜色”。真是遗憾。