夸克世界中的一个多彩发现(图)

http://www.sina.com.cn 2004年10月06日08:12 潇湘晨报

　　10月5日，美国科学家弗兰克·维尔切克从位于马萨诸塞州的家走出新华社

　　据新华社电构成宇宙万物的最小粒子是什么？自然界中存在着哪些力，它们之间如何相互作用？这些是整个20世纪乃至现在都困扰物理学家的难题。荣获本年度诺贝尔物理学奖的三位美国科学家，通过他们的研究为回答这些问题作出了重要贡献。

　　近代物理学理论认为，夸克等是比质子和中子等亚原子粒子更基本的物质组成单位，夸克等组成了质子和中子，中子和质子又形成原子核，最终产生原子以及今天的宇宙万物。现有的物理学理论还认为，自然界中存在引力、电磁力、强作用力和弱作用力等4种力。其中，夸克通过强作用力组成质子和中子，而这种强作用力主要通过另一种名为胶子的基本粒子来传递。

　　但物理学家们在研究夸克时也发现了一个奇怪的现象，那就是从没有发现过自由的单个夸克，只有2个或3个夸克的集合体才能处于自由状态，通常情况下夸克总是被约束在质子和中子内部。获得今年诺贝尔物理学奖的格罗斯、波利策和维尔切克提出的“渐近自由”理论，为此提供了解释。

　　3位科学家在上个世纪70年代提出的理论认为，强作用力会随着夸克彼此间距离的增加而增大，因此没有夸克可以从原子核中向外迁移，获得真正的自由。通俗地说，这一现象有点像拉一根具有弹性的橡皮筋：橡皮筋拉得越长，其产生的力量越大，人拉起来也更为费劲。同样根据“渐近自由”理论，强作用力会随着夸克间距离的变小而减弱，这意味着，约束在质子等内部的夸克在彼此距离足够小时将近乎自由地进行运动。

　　为了描述夸克间的强相互作用力，物理学家们创立了量子色动力学。量子色动力学理论认为，与电子带有电荷类似，夸克和胶子带有色荷，基于色荷的色力或者强作用力，具有比电磁力更为复杂的作用方式和更为奇特的现象，“渐近自由”就是一个明显例子。

　　诺贝尔物理学奖评委会认为，今年获奖的3位科学家发现的“渐近自由”现象，不仅深刻地改变了科学家们对自然界基本作用力作用方式的理解，为量子色动力学理论奠定了基础，使完善粒子物理学标准模型成为可能，而且也让科学家向实现对自然界4种力进行统一描述的宏大梦想更进了一步。评委们把3位美国科学家的成就称为“夸克世界中的一个多彩发现”，认为他们的发现有助于解释为什么夸克只有在极高能量下才会表现出近乎自由的状态。

　　另外，一些专家也指出，通过了解夸克间相互作用力的性质，就有可能找到打开自由夸克的办法。如果能够合理利用夸克内部的强作用能，那么人类就有可能获得比核能还要大得多的能量，相关研究将有很大的应用潜力。