为什么至今还没有找到自由夸克?

夸克为啥不能自由存在，我们能否将夸克分离出来？~

向麦克老大三呼夸克！——《芬尼根守灵夜》詹姆斯·乔伊斯

物质之下是原子，原子之下是亚原子粒子，它们分别是电子、质子和中子，再往下就是最基本的粒子「夸克」！我们都知道夸克不能单独存在，它必须在强核力的作用下束缚在一起，形成一些复合粒子，但这是为什么呢？我们经常会听到「这是因为夸克禁闭！」那夸克为何禁闭呢？今天我们就说下「为什么不存在自由夸克？」


强力是自然力中最奇怪的力。它把单个质子和中子结合在一起形成原子核，并且解释了核聚变和裂变的质量损失问题，控制了标准模型中一半以上粒子的相互作用。为什么说强力最奇怪呢？首先从“最简单”的力「引力」说起。
引力的作用性质
引力从某种程度上说确实很简单，因为在生活中引力很普遍，很容看到。在宇宙中的任何事物都有这么一种固有的属性，它要么有质量、要么有能量或者两者兼有，那么两个有质量或能量的物体彼此之间就会施加一种力，这就是引力，也是牛顿的说法。如果按爱因斯坦的说法就是：质量（能量）会弯曲时空结构，而物质会沿着弯曲的时空结构运动。


其实质量或能量可以通过E = mc^2结合在一起来考虑，它们其实是一个东西！为了方便下文的对比，我们现在称其为引力电荷。引力电荷只有一种「正电荷」，当然力也就只有一种「吸引力」。所有带引力的物体（任何带质量的物体）都会吸引其他带引力的物体，如果引力电荷变大或物体靠近，引力就会变大。根据牛顿引力方程，质量增加两倍受到的力也会增加两倍，而距离减少一半受到的力会增加四倍。如果我们把受引力作用的物体移到很远很远的地方，那么它们之间的引力就会降为零。这一点非常重要：

当两个质量物体之间的距离越来越大时，引力就会降为零。

这就是引力，在长距离的情况下，所有的物体（黑洞视界之外的东西）都能以足够的能量（动能）获得自由。下面我们说电磁力！
电磁力的特性


当我们考虑电磁学的时候，电磁力就稍微比引力复杂了一点。但在某种程度上电磁力和引力也非常像，因为电荷加倍，电磁力就会加倍，距离减半，电磁力也增加四倍。区别是电磁力有两种不同类型的电荷：正电荷和负电荷。


同种电荷（正电荷和正电荷）相互排斥，而相反的电荷（正电荷和负电荷）相互吸引。这一点和引力有相当大的区别，因为在电磁力上不仅有吸引，还有排斥。在力的形式上（距离更小力更大）依然和万有引力是一样的。虽然带两种类型的电荷（正电和负电）互相吸引，但在很远的距离上，力依旧会降为零。
这两种力「万有引力和电磁力」是生活中最常见的力，因此这两种力也很符合我们的直觉。但是当我们遇到强力时，一切都变的不一样了。
夸克的色荷


首先在强力中，不只一种或两种电荷，而是有三种色荷（下面我们都称电荷）。它不像质量（引力电荷），总是为正，变现出吸引力；或者不像电荷，可以是正的，也可以是负，可以是吸引力，也可以是排斥力，这取决于正负电荷的组合形式，而所有的夸克都带有三种电荷中的一种：红色，绿色或蓝色。
第二，电荷不是夸克的固定属性！比如一个有质量的粒子（例如电子），那么这个质量就是这个粒子固有的性质；比如一个带电荷的粒子（还是一个电子），电荷就是粒子本身的属性「电荷不会改变」。但是对一个夸克来说就不是这样的，比如说，某一个夸克是一个带有+（2/3）e电荷的红色夸克，它的固有质量大约是2.3 MeV/c^2，但是这个夸克的“红色”性质不是固有而是短暂的！当我们在几分之一秒后再看这个夸克时，它可能是蓝色的，也可能是绿色的，这取决于它所经历的相互作用！
第三，强力总是会变现出吸引力，这一点和引力或电磁力的表现方式不一样。后面我们再说这么问题！
首先我们先看一下夸克的“颜色”（色荷）在一个中子的内部是如何变化的。


在一个中子里有一个上夸克和两个下夸克，对于三个夸克，可能有两个红色和一个蓝色，两个蓝色和一个绿色，或者三个绿色？三个红色？三个蓝色？事实证明并没有，因为在任何时候，三个夸克中总是有一个红色，一个绿色和一个蓝色。这些夸克通过胶子来交换颜色，每个胶子含有一种颜色和一种反色，总共有八种正反色组合。

有三种颜色（红、绿、蓝）和三种反色（反红=青色、反绿=红、反蓝=黄）这里更多的问题，胶子为何是8种正反色组合，可以通过头条APP搜索「胶子在夸克间是怎样传递强力的？」，第一条内容就是更加详细的解答。



所以夸克的色荷真的很奇怪！引力只有一种电荷：正电荷只表现吸引力。电磁力，有两种类型的电荷：正电荷和负电荷（其中负电是“反正电”），它们结合在一起可能具有吸引力，也可能具有排斥性。但是现在对于色荷，我们有三种类型，每种类型都有自己的反类型！这些类型和反类型都以一种非常奇怪的方式联系在一起。


我们把红、绿、蓝三个颜色看作是组成等边三角形的三个“方向”。如果想要夸克的色荷发生交换，而且表现出中性，就必须存在某种特定的夸克组合。因此可以有三个夸克，三个反夸克，一个夸克-反夸克的组合，或者更多的，例如：四个夸克和一个反夸克，两个夸克，两个反夸克，六个反夸克等等！不在乎夸克的组合有对奇怪，有多复杂，只要保证它们组合在一起呈中性“无色”就行，或者我们简单地称之为白色。


所以这就解释了为什么我们看到质子和中子（重子是三夸克的组合）、反质子和反中子（反重子，每个都有三个反夸克），或者π介子和K介子（介子，夸克和反夸克的组合），必须是无色的。
为什么不存在自由夸克
如果我们取一个π介子，它可以是一个上夸克和一个反上夸克的组合，然后我们试着把夸克-反夸克组合拆开？我们能做到吗？


当我们想要分离两个夸克的时候，两个色荷离得越远，吸引力就会越强。这有点像弹簧，拉得越远，弹簧“弹回”的力就越大。
如果我们给系统注入大量的能量，使夸克继续分离，最终需要的能量可以足以在空间中创造出新的粒子-反粒子对！


造成这一现象的原因是，强力与其他的力不同。在引力中，如果有一个单独的质量（引力电荷），它产生的力在质量附近很强，但是远离时，就会降为零。在电磁力中，如果有一个单独的电荷，它所产生的力（无论是吸引的还是排斥）在离电荷很近的地方很强，当远离时，也会降为零。
但是在强力中，如果有一个单独的颜色电荷，它产生的力会随着距离的增加变得越来越强，只有当两个色荷离的非常近的时候力才会降为零！如果宇宙中曾经有过自由夸克的存在，即使是存在了很短的一段时间，也需要大量的能量来产生自由夸克，而这时的能量也会在真空中产生粒子-反粒子对，直到所有的色荷变成无色。其实这就发生在宇宙暴涨后不久的大爆炸初期，这是宇宙的能量是我们无法现象的，我们称这个时期为「夸克-胶子等离子浓汤！」
所以永远不会有一个在宇宙中持续存在自由的夸克，因为“自由”所需要的能量足以产生新的粒子，而这些粒子将会自发地将自己限制在无色状态。

夸克的作用是形成原子核的单位，较重的夸克会通过一个叫做粒子衰变的过程迅速变成上夸克或下夸克。粒子衰变可以把高质量态变成低质量态，所以夸克非常稳定。
夸克有许多不同的内禀特性，包括电荷、色电荷、自旋和质量。在标准模型中，夸克是唯一能承受所有四种基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有时被称为“基本力”。“夸克”这个词是盖尔曼从詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵之夜》“三个夸克换一个集合标记”中取的短语。这意味着一个质子中有三个夸克。
另外，夸克在本书中有很多含义，由两个上夸克和一个下夸克组成的质子中有一个是海鸟的叫声。他认为，这适合他当初“基本粒子不是基本的，基本电荷不是整数”的奇怪想法。同时，他也指出这只是一个笑话，是对自命不凡的科学语言的反叛。另外，可能是因为他对鸟类的热爱。

原子核的体积很小，直径一般在10-15米～10-14米左右，核内质子相互排斥，由于核子间存在强大的核力，核子才能紧密结合成为稳定的原子核。
正是由于核子间存在强大的核力，核子结合成原子核时要放出一定的能量。
核子结合成原子核时放出的能量叫做原子核能，简称核能(nuclear energy)。例如2个中子和2个质子结合成氦核时要放出28.37兆电子伏(MeV)的能量。

夸克
quark

20世纪60年代，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克(quark)组成的，很多中国物理学家称其为“层子”。它们具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2.夸克一词是盖尔曼取自J·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王，三声夸克”．夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声．他认为，这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法，同时他也指出这只是一个笑话，这是对矫饰的科学语言的反抗．另外，也可能是他喜欢鸟类的原因．
最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇异夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最后一种夸克。

夸克理论认为，所有的重子都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud)，中子(udd)。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss)，这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到，叫做负ω粒子。

夸克按其特性分为三代，如下表所示：

符号 中文名称 英文名称 电荷(e) 质量(GeV/c^2)

u 上夸克 up +2/3 0.004

d 下夸克 down -1/3 0.008

c 粲(魅)夸克 charm +2/3 1.5

s 奇夸克 strange -1/3 0.15

t 顶夸克 top +2/3 176

b 底夸克 bottom -1/3 4.7

在量子色动力学中，夸克除了具有“味”的特性外，还具有三种“色”的特性，分别是红、绿和蓝。这里“色”并非指夸克真的具有颜色，而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克，另有它们对应的18种反夸克。

夸克理论还认为，介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。例如，日本物理学家汤川秀树预言的[[π+介子]]是由一个上夸克和一个反下夸克组成的，π-介子则是由一个反上夸克和一个下夸克组成的，它们都是无色的。

除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在，华裔科学家丁肇中便因发现粲夸克而获诺贝尔物理学奖。近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克 (t)。

至于1994年最新发现的第六种“顶夸克”，相信是最后一种，它的发现令科学家得出有关夸克子的完整图像，有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化，因为大爆炸最初产生的高热，会产生顶夸粒子。

研究显示，有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”。当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时，密度大增会把夸克挤出来，最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大，但仍会发光。

夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。一些人据此提出反对意见，认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。

1997年，俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测，存在一种由五个夸克组成的粒子，质量比氢原子大50％。2001年，日本物理学家在SP环－8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时，发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的，它并不违背粒子物理的标准模型。这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为，这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员，还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。

夸克是目前物理学中公认的最小的物质单位了，不能再分了，可是夸克是否存在至今科学家还在争论呢

人们一般都认为：物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是由电子、质子、中子等基本粒子组成的，而基本粒子则是由比基本粒子更基本的亚粒子组成的。亚粒子也就是人们常说的“夸克”或 “层子”。

所以，夸克除了顶夸克外都可以看到

奇异介子是由一正一反两个夸克组成将奇异介子一分二将得自由介子

很简单，科学发展不够啦

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宏亮去乙： 量子理论对空间和时间理论的影响.20世纪初物理学从经典力学到量子理论的变革,对于空间和时间的观念同样引起了革命性的变化,也引起物理学界的窘迫.量子力学描述的系统的空间位置和动量、时间和能量无法同时精确测量,它们满足不...

高明区19110359553： 为什么夸克的质量不确定? - ？
宏亮去乙： 因为上下夸克“禁闭”在质子或中子中,至今也没有发现自由的夸克,而在束缚态中的夸克因强力的束缚会变得“消瘦”(吸引势能较自由态时低所致),又因高速运动会“变胖”(相对论效应),但总的来说,会比自由时轻一些.因为强力至今也没完全弄清楚,不太明确它会轻多少,所以夸克的质量不太确定.你的另一疑问——其实就是基本粒子的质量到底是怎么来的——至今仍是一个谜.

高明区19110359553： 基本粒子由什么组成? - ？
宏亮去乙： 现在来说,基本粒子是,中子、质子、电子.但是中子和质子能再分成夸克,不过夸克不能单个存在,必须有两个或多个相连.还有光子量,但是静止时被电子吸收.就是说静止时质量为0

高明区19110359553： 物态的高能状态 - ？
宏亮去乙： 当温度达到摄氏数千度时便会形成等离子(离化气体).有些等离子是透过带电荷的空气粒子所做成,可以在一些恒星例如太阳中找到或雷电时产生.当加热气体时,电子会因为拥有足够的动能而成功摆脱原子核的吸力,成为自由电子,不受原...

高明区19110359553： 自然界的物态 - ？
宏亮去乙： 物态是指物质在一定条件下所处的相对稳 定的状态.按传统的、经典的观点,物质有三 态:固态、液态和气态.当组成物质的原子或分 子由于相互作用力的约束,只能围绕各自的平 衡位置作微小振动时,表现为固态,固体在一定 条件下能够保持...

高明区19110359553： 现在确定下电子和中子的形状了吗?目前是否已发现自由夸克?？
宏亮去乙： 忽略弦论,目前的认识是电子作为轻子是基本粒子,也就是点状,中子由三个夸克组成(上下夸克),不过它其实并没有所谓的具体形状的,因为它更多是一定空间区域的一个波,就是模糊的一团,没有日常生活意义上的具体形状.自由夸克目前无发现

高明区19110359553： 夸克和电子哪个更大一些? - ？
宏亮去乙： 这么难也不多给点分楼上有误,夸克虽然还未单独观测到但质量可估算.质量为质子质量数倍,因为将质子类的强子轰开所用的能量被粒子接受后质量会大出一些(如粲夸克质量是质子的3倍多,底夸克质量是质子的10倍多),通常物理中多用能量表示质量比如粲夸克的值为1350MeV.一般量子物理中不会用到半径,所以基本粒子大小还真不太清楚,只知道现在试验测出质子的电磁半径,也就是电荷分布半径为0.8费米,中子的电磁半径大体上和质子的电磁半径相等.而电子的高能碰撞实验表明,即使电子的半径不为零的话,也应小于一千分之二费米.这表示对于电子等基本粒子,仍然观察不到它们占据的空间大小,仍然可以把它们看做是“点”状的粒子,所以与同为基本粒子的夸克不好比较.

高明区19110359553： 夸克的结构是什么? - ？
宏亮去乙： 目前还没有发现夸克有结构. 实际上,因为“夸克幽禁”的缘故,所以获得自由的夸克都并不是一件容易的事情,很难探索它的结构

高明区19110359553： 夸克是什么？
宏亮去乙： 夸克(英语:quark,又译“层子”或“亏子”)是一种基本粒子,也是构成物质的基本单元.夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子,强子中最稳定的是质子和中子,它们是构成原子核的单元.由于一种叫“夸克禁闭”的现象,夸克不能...

高明区19110359553： 不能直接找到自由夸克,物理学家打算用什么方式来搜寻它呢? ？
宏亮去乙： 既然不能直接找到自由夸克,一些物理学家就改变了策略,企图间接地搜寻它