6 章

颜色。而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应。

9、质子内部结构是什么样的呢？

现在我们知道，质子（或者中子）内部有夸克（包括价夸克和海夸克），还有胶子。那么这些成分的比例是多少？有什么变化吗？

对于这个问题的回答，下面一张图就足够了：

图14：质子中各成分占得比重

这张图来自于实验与理论。怎么理解呢？

为了非专业人士也能理解，下面用不是很严谨的语言来通俗的描述——

图的横坐标为能量，纵坐标为相应成分占的比重。xu_v为u价夸克，xd_v为d价夸克xg为胶子（图中已经缩放了20倍），xS为s海夸克（图中已经缩放了20倍）。

当x很大，接近于1时，胶子和海夸克的比重小于u夸克和d夸克，且迅速趋向于零。此时，质子内的主要成分为u和d的价夸克。

而且图上可以看出，u夸克的比重是d夸克的两倍左右，这与夸克模型中质子由uud组成一致。

由于量子场论真空激发的基本性质，当时空分辨率足够高时，人们可以「看到」真空激发产生的海夸克、反夸克和胶子，此时质子不再是单纯地由3个夸克构成，而是由3个价夸克与无穷多海夸克、反夸克和胶子构成，而且这些真空激发产生的粒子的数目随着时空分辨率的提高而增加。

在研究质子的整体静态性质时，海夸克、反夸克和胶子的物理效应不明显；但在高能反应过程中，由于相对论时间延缓效应，它们在高速运动的质子内存在的时间延长，在某些运动学区域内甚至起到主导作用。

图15：图中的uud为价夸克，其它夸克为海夸克，为正反夸克，总是成对出现。夸克之间的线表示胶子，提供夸克之间的相互作用

不过需要注意的是，量子色动力学这个理论比较奇怪，当能量很高时，从数学上（使用微扰论）很容易求解夸克和胶子的运动行为，但是在低能时（也就是非微扰区），方程的求解异常困难，以至于到目前为止也无法完整求出夸克和胶子的行为，这也包含了低能下质子和中子的性质。

10、总结

最后做个总结，正如开头说的那样，对于质子中子内部结构的探索，几乎就是一整部粒子物理发展的历史。从原子核的发现，到夸克和胶子的确认，从汤川的核力，再到后来的量子色动力学，每一步都是有理有据。而我们对微观粒子的探索也没有停止，质子中子内的夸克到底是如何运动的？夸克会不会有更基本的结构呢？这些问题目前还无法回答，但对这些问题的探索一定会扩展我们的认知，让我们看到更广阔的宇宙。

参考

^MeV是粒子物理常用的能量/质量单位，为了直观认识，质子的质量大约为938MeV

^ab肖振军，吕才典。粒子物理学导论

^这一点在英语体现地更明显：自旋是spin，同位旋是iso-spin

^杜东生，杨茂志。粒子物理导论

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