誇克是一種基本粒子,也是物質構成的基本單元。分子由原子構成,原子由原子核和核外電子構成,大部分原子核由質子和中子構成。在誇克尚未被發現之前,人們以爲質子是構成物質的最小微粒。
誇克是蓋爾曼由數學計算出來提出來的微笑物質,但還是有一些物理學家不原因接受,認爲只是數學工具的的技巧而已,直到1968年SLAC(斯坦福線性加速器中心)在非彈性散射實驗中指出質子內含有比它小很多的物質,因此質子並非是最小的物質。這才不得不承認蓋爾曼是對的,實驗後把質子內部的點狀物體叫成子(parton),後來命名爲誇克。
隨著粒子實驗深入研究,目前發現誇克的類型有六種,分別是上、下、粲、奇、底及頂。上和下誇克的質量是最輕的,每種誇克都具有電荷、色荷、自旋的性質。每種類型的誇克都帶有紅、綠、藍三種顔色。由于誇克有六種類型,所以共有18種誇克。
誇克的反粒子叫反誇克,跟一般的反物質一樣道理,反誇克與誇克具有一樣性質,質量、平均壽命與自旋一樣,但兩者的電荷和顔色相反,反誇克帶有反紅,反綠,反藍三種顔色。原理類似于電子,有正電和負電。
注:紅綠藍顔色只是代表誇克具有的特殊性質,並不是誇克真有顔色。自旋是粒子的特性,爲了符合角動量守恒,所以粒子固有的角動量稱爲自旋,並不是像地球一樣自轉,這裏就不詳加說明了。
上圖紫色框中是六種誇克,上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)。
圖中沒有標上反誇克,比如上誇克“u”的反誇克對應符號爲“ū”,上面加一横。
上面三種誇克(u、c、t)帶單位電荷量爲+²/₃,下面三種誇克(d、s、b)帶有電荷量爲-¹/₃,例如下圖的質子(左邊)和中子(右邊),
質子由三個誇克構成(uud),所以電荷加起來爲+1,而中子的三個誇克加起來爲0,所以質子帶正電,中子不帶電。
強力指的是強相互作用力,是宇宙中目前所發現的四種作用力之一,也是四種力中最強的力。通過強力把誇克與反誇克束縛結合一起的複合粒子稱爲強子。每一個誇克都帶有色荷,但結合成強子後是“無色”或“白色”,但這裏的顔色不是真實顔色,可以把白色理解爲中性。如下圖
第一張是綠色與反綠色(紫色代替)結合,只有兩個誇克組合 ,這類的粒子稱爲介子(π),兩種誇克可以是不同種類的,例如π⁺=(ud⁻),π⁻=(ūd)。
第二張是三個不同色荷的誇克組成,紅色、藍色、綠色結合,稱爲重子,最爲人知的重子是質子和中子。
第三張是由反紅、反藍、反綠合成(青色、黃色、品紅替代),稱爲反重子,理論來說質子和中子有反質子和反中子。
強作用力
強力束縛著質子和中子結合成原子核,和束縛誇克在質子和中子內,而強力傳遞的粒子是膠子,膠子是矢量規範玻色子,不帶有質量,每種膠子都帶有一個單位的色荷顔色和一個單位的色荷反顔色。
膠子通過發射與吸收虛粒子(數學工具),不斷地來回在誇克之間的交換,維持著強相互作用力。例如一藍誇克射出一藍_反紅的膠子,這個藍誇克就變成紅誇克,又比如一紅誇克吸收了一藍_反紅的膠子就變成藍誇克。由于誇克之間通過膠子與“顔色”變換維持了強作用力,所以強力也稱爲色力或色動束縛力。
上圖是一個質子和一個中子被強力束縛的示意圖,圖中誇克所發射或吸收的“兩個小圓”是一個膠子,帶有顔色和反顔色。強力既可以束縛誇克,剩余的力也能束縛質子和中子。
誇克與誇克之間距離越來越遠時,所受的色動束縛力越來越強,反之距離越近所受的色動束縛力越弱,可以理解爲一根橡皮筋,拉得越長橡皮筋的收縮力越大,反之越小。
當“拉力”拉得越長時,也就是誇克之間距離越遠時,“色場”中會自發的創造出更多合適色荷的膠子來維持場的強化作用。
如上圖所示,當“橡皮筋”拉到一定程度時斷裂,代表能量超出一定底線,就會生出誇克、反誇克對與分離的誇克束縛在一起,形成無色的粒子,可以理解爲“色荷守恒”。
在膠子場中,誇克不是不能分離而獨立,只是分離後由合適色荷膠子瞬間“彌補”上形成新的粒子,這種現象稱爲誇克禁閉,雖然是一個理論,但一直以來科學家們尋找不到獨立存在的誇克,這個理論慢慢的被更多人認可和接受。