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科普： 一二三，色味香
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我们所存在的自然界，除了让我们脚踏实地的引力，还有三种作用，那就是电磁作用，强相互作用，与弱相互作用。参与这些作用的粒子有光子、电子、中微子，夸克等等，其中夸克是核子的组成部分。质子与中子都是由三个夸克组成。以上这些是我们中学物理里学到的。问题是，why？
物理是一门数学化的科学。整个现代物理都是基于杨振宁的所谓规范场理论。这个理论我之前介绍过，这里不再重复。让我们看看规范场理论是怎样解释上述三种相互作用。
用简单的数学语言来说，就是 1、2、3 ，U(1) x SU(2) x SU (3) 的对称性。
先不要被上面的符号吓着。所谓 U(1) 其实就是一个长度为1的复数。
S U（2） 是一个 2 x 2 的矩阵，[ix]\left( \begin{array}{cc}
a & b \\
c & d \\
\end{array}\right)[/ix]，意思是有两种粒子进行混合，对于某种相互作用而言分不出彼此。
S U（3） 是一个 3 x 3 的矩阵，意思是有三种粒子进行混合，对于某种相互作用而言，没有区别。
简单的说，U(1) 对应于光子，也就是电磁作用，长度为1的复数可以表示成 [ix]e^{i\theta}[/ix]， 只有一个独立参数，也就只有一种光子。
SU（2）对应于弱相互作用，因为对称是 2x2，因此参与弱相互作用的是一对双胞胎，双胞胎混来混去，分不清谁是谁。我们说弱相互作用的粒子有两种味道 --- flavor。我们知道电子能够进行弱相互作用，电子 e 的弱作用双胞胎是什么呢？是中微子[ix]\nu_e[/ix]。当然，电子跟中微子是不同的，电子带电，中微子不带电，电子比中微子重，但在涉及弱作用时这些区别消失了。夸克也能参加弱相互作用，所以夸克必然也是以双胞胎出现，有一种夸克叫做上夸克（u），另外一种就叫下夸克（d) 。从弱作用的角度，我们发现 这样的两对 [ix](e, \nu_e) , (u, d)[/ix] 。另外还有一个细节，这是李政道、杨振宁总结出来的，只有左转的粒子参与弱作用，右转的粒子没有弱作用。这一点是实验观察的结果。实际上 弱电作用理论非常复杂，涉及所为自发对称破缺、希格斯机制等等。
SU（3） 对应于强相互作用，因为是 3x3 矩阵，说明参与强相互作用的是三胞胎，三胞胎混在一起，难分难舍。这三种夸克称为三种颜色，以上夸克 u 为例，其中有三种，红上夸克，绿上夸克，以及蓝上夸克。所谓颜色，当然是物理学家进行文科思维的结果，想不出什么词了，于是用颜色来标记。实际上，这是说夸克带有三种不同类似电荷的东西，使它们之间可以相互作用。看起来，强相互作用的色动力学理论简单多了，它是精确的 Yang-Mills 场，不存在对称破缺。但不幸的是，由于作用强，常用的微扰计算方法往往无效。
那么我们听说还有其他的夸克是怎么回事呢？我们有 [ix](e, \nu_e) , (u, d)[/ix] （电子，电子中微子，上夸克，下夸克），这一组是构成我们世界的成分。但还有跟这类似、但是更重的一级别，有一个类似电子但更重的粒子，一个与之相应的中微子，一对类似的，但是更重的一对夸克。且让我们称之为中量级组合。除了中量级外，还有一组更重的重量级，里面那个类似电子的粒子差不多是质子的两倍质量，里面的其他粒子也重很多。中量级与重量级不能稳定存在，因为它们能量高，会很快转换为轻量级。所以，我们的世界其实是有轻量级的粒子组合构成。
经常在网上看到一些关于粒子物理的科普，但这些科普往往让人更加糊涂，常见科普的错误是，科普者往往把三个量级与夸克三种颜色混淆。其实，这三个量级与三种颜色一点关系也没有。而且目前我们还没有搞清楚为什么有三个量级，或许还有超重量级，目前我们没有发现。
有了对称性，那么根据杨振宁的规范场论，我们就可以写下相互作用的方程了。我们知道光子是传递电磁作用的粒子。那么传递弱相互作用的粒子有几种呢？ 2x2 的矩阵有四个复数，一个复数有实部、虚部，看起来我们得有八个数字。但 SU（2）是特殊的2x2 矩阵，里面的数字有限制，实际的独立变量是 2^2 -1 = 3，这个3就对应于传递弱相互作用的三种粒子。类似的，SU（3）实际有 3^2-1 =8 个独立参量，这对应于八种传递强相互作用的胶子-- 胶水的胶 -- gluon。这个名字起得很形象，强相互作用像牛皮糖似的，你越拉开距离，它力量还越大，造成所谓夸克囚禁，也就使我们无法观测到自由的夸克。
