向麥克老大三呼夸克！——《芬尼根守靈夜》詹姆斯·喬伊斯

物質之下是原子，原子之下是亞原子粒子，它們分別是電子、質子和中子，再往下就是最基本的粒子「夸克」！我們都知道夸克不能單獨存在，它必須在強核力的作用下束縛在一起，形成一些復合粒子，但這是為什麼呢？我們經常會聽到「這是因為夸克禁閉！」那夸克為何禁閉呢？今天我們就說下「為什麼不存在自由夸克？」

強力是自然力中最奇怪的力。它把單個質子和中子結合在一起形成原子核，並且解釋了核聚變和裂變的質量損失問題，控制了標準模型中一半以上粒子的相互作用。為什麼說強力最奇怪呢？首先從「最簡單」的力「引力」說起。

引力的作用性質

引力從某種程度上說確實很簡單，因為在生活中引力很普遍，很容看到。在宇宙中的任何事物都有這麼一種固有的屬性，它要麼有質量、要麼有能量或者兩者兼有，那麼兩個有質量或能量的物體彼此之間就會施加一種力，這就是引力，也是牛頓的說法。如果按愛因斯坦的說法就是：質量（能量）會彎曲時空結構，而物質會沿著彎曲的時空結構運動。

其實質量或能量可以通過E = mc^2結合在一起來考慮，它們其實是一個東西！為了方便下文的對比，我們現在稱其為引力電荷。引力電荷只有一種「正電荷」，當然力也就只有一種「吸引力」。所有帶引力的物體（任何帶質量的物體）都會吸引其他帶引力的物體，如果引力電荷變大或物體靠近，引力就會變大。根據牛頓引力方程，質量增加兩倍受到的力也會增加兩倍，而距離減少一半受到的力會增加四倍。如果我們把受引力作用的物體移到很遠很遠的地方，那麼它們之間的引力就會降為零。這一點非常重要：

當兩個質量物體之間的距離越來越大時，引力就會降為零。

這就是引力，在長距離的情況下，所有的物體（黑洞視界之外的東西）都能以足夠的能量（動能）獲得自由。下面我們說電磁力！

電磁力的特性

當我們考慮電磁學的時候，電磁力就稍微比引力複雜了一點。但在某種程度上電磁力和引力也非常像，因為電荷加倍，電磁力就會加倍，距離減半，電磁力也增加四倍。區別是電磁力有兩種不同類型的電荷：正電荷和負電荷。

同種電荷（正電荷和正電荷）相互排斥，而相反的電荷（正電荷和負電荷）相互吸引。這一點和引力有相當大的區別，因為在電磁力上不僅有吸引，還有排斥。在力的形式上（距離更小力更大）依然和萬有引力是一樣的。雖然帶兩種類型的電荷（正電和負電）互相吸引，但在很遠的距離上，力依舊會降為零。

這兩種力「萬有引力和電磁力」是生活中最常見的力，因此這兩種力也很符合我們的直覺。但是當我們遇到強力時，一切都變的不一樣了。

夸克的色荷

首先在強力中，不只一種或兩種電荷，而是有三種色荷（下面我們都稱電荷）。它不像質量（引力電荷），總是為正，變現出吸引力；或者不像電荷，可以是正的，也可以是負，可以是吸引力，也可以是排斥力，這取決於正負電荷的組合形式，而所有的夸克都帶有三種電荷中的一種：紅色，綠色或藍色。

第二，電荷不是夸克的固定屬性！比如一個有質量的粒子（例如電子），那麼這個質量就是這個粒子固有的性質；比如一個帶電荷的粒子（還是一個電子），電荷就是粒子本身的屬性「電荷不會改變」。但是對一個夸克來說就不是這樣的，比如說，某一個夸克是一個帶有+（2/3）e電荷的紅色夸克，它的固有質量大約是2.3 MeV/c^2，但是這個夸克的「紅色」性質不是固有而是短暫的！當我們在幾分之一秒後再看這個夸克時，它可能是藍色的，也可能是綠色的，這取決於它所經歷的相互作用！

第三，強力總是會變現出吸引力，這一點和引力或電磁力的表現方式不一樣。後面我們再說這麼問題！

首先我們先看一下夸克的「顏色」（色荷）在一個中子的內部是如何變化的。

在一個中子裡有一個上夸克和兩個下夸克，對於三個夸克，可能有兩個紅色和一個藍色，兩個藍色和一個綠色，或者三個綠色？三個紅色？三個藍色？事實證明並沒有，因為在任何時候，三個夸克中總是有一個紅色，一個綠色和一個藍色。這些夸克通過膠子來交換顏色，每個膠子含有一種顏色和一種反色，總共有八種正反色組合。

有三種顏色（紅、綠、藍）和三種反色（反紅=青色、反綠=紅、反藍=黃）這裡更多的問題，膠子為何是8種正反色組合，可以通過頭條APP搜索「膠子在夸克間是怎樣傳遞強力的？」，第一條內容就是更加詳細的解答。

所以夸克的色荷真的很奇怪！引力只有一種電荷：正電荷只表現吸引力。電磁力，有兩種類型的電荷：正電荷和負電荷（其中負電是「反正電」），它們結合在一起可能具有吸引力，也可能具有排斥性。但是現在對於色荷，我們有三種類型，每種類型都有自己的反類型！這些類型和反類型都以一種非常奇怪的方式聯繫在一起。

我們把紅、綠、藍三個顏色看作是組成等邊三角形的三個「方向」。如果想要夸克的色荷發生交換，而且表現出中性，就必須存在某種特定的夸克組合。因此可以有三個夸克，三個反夸克，一個夸克-反夸克的組合，或者更多的，例如：四個夸克和一個反夸克，兩個夸克，兩個反夸克，六個反夸克等等！不在乎夸克的組合有對奇怪，有多複雜，只要保證它們組合在一起呈中性「無色」就行，或者我們簡單地稱之為白色。

所以這就解釋了為什麼我們看到質子和中子（重子是三夸克的組合）、反質子和反中子（反重子，每個都有三個反夸克），或者π介子和K介子（介子，夸克和反夸克的組合），必須是無色的。

為什麼不存在自由夸克

如果我們取一個π介子，它可以是一個上夸克和一個反上夸克的組合，然後我們試著把夸克-反夸克組合拆開？我們能做到嗎？

當我們想要分離兩個夸克的時候，兩個色荷離得越遠，吸引力就會越強。這有點像彈簧，拉得越遠，彈簧「彈回」的力就越大。

如果我們給系統注入大量的能量，使夸克繼續分離，最終需要的能量可以足以在空間中創造出新的粒子-反粒子對！

造成這一現象的原因是，強力與其他的力不同。在引力中，如果有一個單獨的質量（引力電荷），它產生的力在質量附近很強，但是遠離時，就會降為零。在電磁力中，如果有一個單獨的電荷，它所產生的力（無論是吸引的還是排斥）在離電荷很近的地方很強，當遠離時，也會降為零。

但是在強力中，如果有一個單獨的顏色電荷，它產生的力會隨著距離的增加變得越來越強，只有當兩個色荷離的非常近的時候力才會降為零！如果宇宙中曾經有過自由夸克的存在，即使是存在了很短的一段時間，也需要大量的能量來產生自由夸克，而這時的能量也會在真空中產生粒子-反粒子對，直到所有的色荷變成無色。其實這就發生在宇宙暴漲後不久的大爆炸初期，這是宇宙的能量是我們無法現象的，我們稱這個時期為「夸克-膠子等離子濃湯！」

所以永遠不會有一個在宇宙中持續存在自由的夸克，因為「自由」所需要的能量足以產生新的粒子，而這些粒子將會自發地將自己限制在無色狀態。