王 清 揚
中國科學院大學在讀博士生
一條在理論物理的大海中溺水的咸魚
研究方向：極早期宇宙、粒子宇宙學、暗物質理論
愛好科普
在知乎著有專欄【咸魚的粒子物理入門】
如何描述一個物理系統？
王清揚，公眾號：Naz摘星星王清揚 | 強相互作用與弱相互作用
今天介紹核子、強子與夸克
強相互作用的歷史大概要從人們發現原子核有內部結構開始說起。在1.1 節中我們說過1909年盧瑟福的散射實驗確立了原子的核式結構，也就是說原子的中心有一個帶正電的原子核，電子在原子核外運動。實驗告訴我們每種元素的原子核的質量和電量都不同，那么就有一個問題，每種元素的原子核都是不同的基本粒子嗎？還是說它們不是基本的，是由某種更小的粒子組成的？1919年，盧瑟福發現氮14原子在α粒子的轟擊下會產生氧17原子和一個氫核，這促使人們認識到原子核不是基本粒子，每種元素的原子核內部都有“氫核”這個基本組分。后來人們把這個基本組分命名為“質子”，氫的原子核只有一個質子，氦的核里有兩個質子，鋰的核有三個質子，依次類推，這導致了每種元素的原子核帶電量都不同。那么原子核里面只有質子這一種組分嗎？人們發現，雖然氦核的質子數量/帶電量是氫核的2倍，但它的質量卻是氫核的4倍，這說明原子核里面也許還有額外的不帶電的粒子，它被盧瑟福命名為“中子”。中子最終在1932年被查德威克的實驗找到，它與質子一同被稱為“核子”。
很快新的問題又來了，原子核里面的質子和中子是怎么束縛在一起的呢？人們認為核子間存在一種新的相互作用，它有兩種特性。第一，這種相互作用比電磁相互作用要強很多，因為它要保證帶正電的質子之間不會因為電磁相互作用而散開。第二，這種相互作用肯定是一種小尺度的短程相互作用，因為在我們的宏觀世界并沒有發現它。最終，人們把這種核子間的相互作用命名為“強相互作用”。既然有了新的相互作用，就要去構建這種相互作用的量子場論，也就是本節第一部分提到的——寫出核子這個物理系統的拉氏量中的
1935年，日本物理學家湯川秀樹猜想核子間的強相互作用可能是通過一個標量場進行的（類比電子間相互作用通過電磁場進行），稱為核力的湯川理論。在湯川理論中，核子系統拉氏量中的
1947年，宇宙射線實驗發現湯川理論預言的
我們把所有參與強相互作用的粒子稱為“強子”。為了探討這些強子有沒有內部結構，人們需要先給它們分一分類（就好比給化學元素排元素周期表一樣）。一般來說，可以把強子劃分為質子、中子這樣的重子（是費米子），以及
最終的突破來自于蓋爾曼和茨威格，他們于1964年提出一個猜想：SU(3)對稱性的3個基礎表示以及對應的3個共軛表示可以被當作基本粒子，它們被命名為“夸克”和“反夸克”。當然，我知道大家看不懂前面這句話，所以用通俗的語言再說一遍：蓋爾曼等人提出，存在比強子更小的基本粒子，3種夸克（
現在我們手上有了參與強相互作用的基本粒子——夸克，可以開始著手構建普適的強相互作用的量子場論了（找著了演員才開始寫劇本2333）。不過不著急，在此之前我們先介紹弱相互作用的研究歷史。說句題外話，夸克“quark”這個名字來源于一種海鳥的叫聲，取它的未見其形先聞其聲之意，正如我們在探測到夸克之前就根據SU(3)對稱性發現了它存在的跡象。
