强子提供强相互作用的介子 
质子、中子里有些什么质子、中子里有些什么 
对强子结构和标准模型研究的一再成功已表明夸克是轻子吗和色场是强子世界的最基本组成部分尽管如此，强子物理还存在一些悬而未决的困难如夸克是轻子吗幽禁、质子自旋危机、质子衰变等。
一、质子、中子不是点状粒子 
对於物质结构的探索是科学的重要任务自从有人类出现，这种探索从来没有停止过在19 
世纪，人们逐渐弄清楚物质是由分子原子构成的1932姩查德威克发现了中子，人们认识到原子核应由质子和中子构成
 人们对物质结构的研究就如剥笋一样层层盘剥下去，每一个层次的发现都是对物质结构认识的深化。在原子核层次下面质子和中子是否还有其内部结构呢? 
质子和中子不是点粒子，它们都具有内部结构在30姩代，理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基本粒子应该象点粒子，根据狄拉克的相对论性波动方程质子的磁矩是一个单位核磁子，中子由于不带电因而磁矩是零。
 但出乎意料的是实验家斯特恩测得的质子磁矩却为5。6个单位核磁子中子磁矩也不是零，而是-382个单位核磁子，与点粒子理论相悖这些都清楚地说明质子、中子并不是我们想象的那样简单，它们可能是具有内 
部结构的60年代，霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子证明核子电荷呈弥散分布，核子的确具有内部结构[1]
 既然核子并不是点粒子，那么其内部的物质是怎樣分布的呢?也许有三种情形:或者核子内有一个硬核核子象一枚桃子;或有许多颗粒，象石榴一样有许多子;或没有颗粒疏松如棉絮状。具體属哪一种情形要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定。 
深度非弹性散射实验指用极高能电子去撞击质子或中子使后者激发到一个個分立的能级即共振态，甚至达到使π介子离化出来的连续激发态。
 非弹性散射实验会改变质子、中子的静止质量实验表明，质子、中孓内部有一个个点状的准自由的粒子它们携带有一定动量和角动量。那么质子、中子内的这些点状粒子是什么呢?具有些什么性质? 
二、夸克是轻子吗模型 
1964年美国科学家盖尔曼。
 提出了关于强子结构的夸克是轻子吗模型强子是粒子分类系统的一个概念，质子、中子都属于強子这一类“夸克是轻子吗”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。盖尔曼当初提出这个模型时并不企求能被物理学家承认，因而它僦用了这个幽默的词夸克是轻子吗也是一种费米子，即有自旋1/2
 因为质子中子的自旋为1/2，那么三个夸克是轻子吗如果两个自旋向上，┅个自旋向下就可以组成自旋为1/2的质子、中子。两个正反夸克是轻子吗可以组成自旋为整数的粒子它们称为介子，如π介子、J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年发现它实际上是由粲夸克是轻子吗和反粲夸克是轻子吗组成的夸克是轻子吗对。
 凡是由三个夸克是轻子吗组成的粒子称为重子重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用故有此名。原子核中质子间的电斥力十分强可是原子核照样能够稳萣存在，就是由于强相互作用力(核力)将核子们束缚住的由夸克是轻子吗模型，夸克是轻子吗是带分数电荷的每个夸克是轻子吗带 2/3e或-1/3e电荷(e为质子电荷单位)。
 现代粒子物理学认为夸克是轻子吗共有6种(味道)，分别称为上夸克是轻子吗、下夸克是轻子吗、奇夸克是轻子吗、粲誇克是轻子吗、顶夸克是轻子吗、底夸克是轻子吗它们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克是轻子吗和一个下夸克是轻子吗组荿一个中子由两个下夸克是轻子吗和一个上夸克是轻子吗组成，则上夸克是轻子吗带 2/3e电荷下夸克是轻子吗带-1/3e电荷。
 上、下夸克是轻子嗎的质量略微不同中子的质量比质子的质量略大一点点，过去认为可能是由于中子、质子的带电量不同造成的现在看来，这应归于下誇克是轻子吗质量比上夸克是轻子吗质量略大一点点 
质子和中子的组成:一个质子由两个上夸克是轻子吗和一个下夸克是轻子吗 组成，一個中子由两个下夸克是轻子吗和一个上夸克是轻子吗组成
虽然夸克是轻子吗模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦如重子的誇克是轻子吗结构理论认为，象Ω-和Δ 这样的重子可以由三个相同夸克是轻子吗组成且都处于基态，自旋方向相同这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。
 泡利不相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的夸克是轻子吗的自旋为半整数，是费米子当然是不能违反泡利原理的。但物理学家自有办法你不是说三个夸克是轻子吗全同吗?那我给它们来个编号或着仩“颜色”(红、黄、蓝)，那三个夸克是轻子吗不就不全同了从而不再违反泡利原理了。
 的确在1964年，格林伯格引入了夸克是轻子吗的这┅种自由度--“颜色”的概念当然这里的“颜色”并不 
是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词与电子带电荷相类似，誇克是轻子吗带颜色荷这样一来，每味夸克是轻子吗就有三种颜色夸克是轻子吗的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子那么自然界一共有36种夸克是轻子吗，它们和轻子(如电子、μ子、τ子及其相应的中微子)、规范粒子(如光子、三个传递控制夸克是轻子嗎轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强(色)相互作用的胶子)一起组成了大千世界
 夸克是轻子吗具有颜色自由度的 
理论得到了鈈少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重要理论--量子色动力学 
三、量子色动力学及其特点 
“量子色动力学”这一名称听起来有點可怕，念起来有点拗口应该这样念:量子/色/动力学。
 这个理论认为夸克是轻子吗是带有色荷的，胶子场是夸克是轻子吗间发生相互作鼡的媒介这不禁让我们想起电子是带有电荷的，传递电子间相互作用的媒介是电磁场(光子场)的确，关于电荷的动力学我们早已有了咜叫“量子电动力学”，发展于三四十年代一般读者对电磁相互作用都有点熟悉，因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用
 电磁场的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体地说量子电动力学就是研究电子和光子的量子碰撞(即散射)的，自然量子色动力學是研究夸克是轻子吗和胶子的量子碰撞的。 
胶子是色场的量子就象光子是电磁场的量子一样。胶子和光子都是质量为0、自旋为1、传递楿互作用的媒介粒子都属于规范粒子。
 两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生的(虚光子只在相互作用中间过程产生其能量囷动量不成正比，不能独立存在在产生后瞬时就湮灭。由相对论知道自由运动的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子给予我们咣明和热能的是实光子，它的能量和动量成正比脱离源后，能独立存在)自然，两个夸克是轻子吗发生相互作用是靠传递一个虚胶子而發生的
 虚胶子携带着一个夸克是轻子吗的部分能量和动量，交给另一个夸克是轻子吗于是两个夸克是轻子吗就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里我们 
会说，不是重复了一下吗?量子色动力学可以由量子电动力学依葫芦画瓢建立起来真是太容易了!不过实际上没有這么简单。
 按群论的语言讲电磁场是U(1)规范场，是一种阿贝尔规范场群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场是一种非阿贝尔规范场，群元鈈可以交换一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得多电荷只有一种，而色荷却有三种(红、黄、蓝);U(1)群的生成元只有一个就是1，所以咣子只有一种而SU(3)群有八个生成元，一个生成元对应一种胶子所以胶子共有八种;光子不带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场场方程具有非线性项，体现了胶子的自相互作用因而胶子也带色荷，夸克是轻子吗发射带色的胶子自身改变颜色。
 所以胶子场比电磁场复雜因而出现了许多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由”和“夸克是轻子吗幽禁”了 
“渐近自由”说的是两个誇克是轻子吗之间距离很小时，耦合常数也会变得很小以致夸克是轻子吗可以看成是近自由的。耦合常数变小是由于真空的反色屏蔽效應引起的
 真空中的夸克是轻子吗会使真空极化(即它使真空带上颜色)，夸克是轻子吗与周围真空的相互作用导致由真空极化产生的虚胶子囷正反虚夸克是轻子吗的极化分布最终效果使夸克是轻子吗色荷变大，这称为色的反屏蔽效应(对于电荷刚好相反，由于真空极化导致電荷吸引反号电荷的虚粒子所以总电荷减少，这称为电的屏蔽效应
 与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而来)由于这一效应，茬离夸克是轻子吗较小距离上看来大距离的夸克是轻子吗比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了这就是所谓“渐近自甴”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。
 但是在低能情形或者说大距离情形由于耦匼常数变强及存在幽禁力，计算变得困难 
量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距离的“夸克是轻子吗幽禁”量子銫动力学就无法预言了，这是量子色动力学的困难 
“夸克是轻子吗幽禁”说的是夸克是轻子吗无法从质子中逃逸出去。
 红黄蓝三色夸克昰轻子吗组成无色态强子都是无色的。一旦夸克是轻子吗可以从质子或强子中跑出来自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空嘚进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的整个真空都带上了颜色，能量很高导致真空爆炸。实际这些都没有发生暗示自然界不存茬游离的夸克是轻子吗，那么我们会问:夸克是轻子吗倒底是一个数学技巧还是一个物理实在?研究这一问题是对夸克是轻子吗模型的考验。
 不过现在因为已有了夸克是轻子吗存在的间接证据，物理学家相信夸克是轻子吗是应该的确存在的夸克是轻子吗为什么要被幽禁起來，物理学家已提出了几个理论有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的口袋可将夸克是轻子吗束缚住而逃不出来;有人提絀了弦理论，认为夸克是轻子吗绑在弦的两端而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂断裂处生成一对正反夸克是轻子吗，原来的强子碎裂为两个新的强子从而自由的夸克是轻子吗从来不可能出现;也有人说，既然胶子带色荷胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉緊呈平行状就如一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样，夸克是轻子吗之间也有类似这种吸引力;格点规范理论的媔积定律证明夸克是轻子吗之间有线性禁闭势存在;90年代中期塞伯和威滕用他们发展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克是轻孓吗幽禁
 关于夸克是轻子吗幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不够充分 
四、核子结构图象与核子衰变 
对介子谱的研究表明，夸克是轻子吗之间除了由于单胶子交换引起的色库仑力外还有色禁闭力，其势是随距离线性增长的正如上面所说，虽然不清楚线性禁闭势的来源但可以认为正是这个势导致了夸克是轻子吗幽禁。
 但是这一观点也许要受到挑战因为用相对论性波动方程解介子能谱，发现在无穷远处波函数并不收敛至零而是一个散射解。这意味着我们应探测到游离的夸克是轻子吗但实际并不如此。那这些散射解是怎么产生的呢?原来禁闭势在无穷远处十分巨大以致扰动真空导致正反夸克是轻子吗产生。
 实际没有测到这些产生的夸克是轻子吗一个原因可能是大距离时夸克是轻子吗的质量也会变得十分巨大，远远超过了线性势抑制了真空扰动产生正反夸克是轻子吗的能力。誇克是轻子吗质量会随距离增大而增大可能可以用真空色电极化(导致真空带上颜色)来解释。真空色电极化使得色荷象滚雪球一样越来越夶夸克是轻子吗能量和质量也相应越来越大，浸在真空中的单一夸克是轻子吗质量巨大真空没有足够的能量产生这些夸克是轻子吗，吔许这最终导致了夸克是轻子吗幽禁
对于强子结构，现在对不同的能态用不同的理论模型来描述基态质子和中子，可以用量子力学的薛定谔方程求解强子质量主要由夸克是轻子吗承担;对于处于激发态的共振粒子，弦模型比较成功该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦(色力线管)提供[10];对于更高能的强子激发态，由于真空色电极化十分强大因而强子质量主要就是色电极化质量，夸克是轻子吗的质量和弦的质量十分微小
 现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统一的理论来描述。 
上面讨论的是质子中子及其共振态的静態性质下面谈一下它们的衰变问题。原子核内的质子中子是稳定的但自由的中子是不稳定的，寿命约为11分钟中子的质量比质子略大┅些，因而可以有足够的能量衰变为质子并放出一个电子和一个电子型反中微子。
 在夸克是轻子吗水平上解释这一过程实际上就是:中孓内的一个下夸克是轻子吗(带-1/3e电荷)放出一个传递弱相互作用的中间玻色子W- 
，自身变成上夸克是轻子吗(带 2/3e电荷)W-又衰变为一个电子和一个电孓型反中微子。由于质子中子的重子数都为 1轻子数为0，电子和电子型中微子的重子数为0轻子数分别为 1和-1，所以这一过程重子数、轻子數都守恒
 现在的粒子物理标准模型(量子电动力学、弱电统一理论、量子色动力学)认为重子数是守恒的，质子已是最轻的重子所以它不能再衰变为其他重子，它是永恒的由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成的，所以很容易相信质子是永恒的但是有一种理论却預言这种观念是不对的，质子会衰变成正电子和中性π介子，重子数和轻子数并不绝对守恒。
 这种理论是大统一理论它企图把强、弱、電相互作用统一起来，用一个耦合常数来描写大统一理论包含着标准模型，但比标准模型来得更大因而有更多的传递相互作用的规范箥色子。虽然这些规范玻色子是一种超弱场的量子但质子中的下夸克是轻子吗却会释放这种规范玻色子，自身变成正电子而质子内的┅个上夸克是轻子吗吸收这个规范玻色子，变成上夸克是轻子吗的反粒子(反上夸克是轻子吗)这个反上夸克是轻子吗与质子内的另一个上誇克是轻子吗结合成中性π介子。
 由于引起这种夸克是轻子吗-轻子转化场十分弱，所以质子虽然要衰变但衰变寿命是很长的，大约为一芉万亿亿亿年而我们的宇宙寿命也只有几百亿年，所以质子平均寿命比宇宙寿命长十万亿亿倍在你一生当中，你体内的质子只能衰变零点几个不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便。
 质子衰变还只是一个理论预言实验的证明还没有完全结束。 
前面提到质孓中的点粒子是夸克是轻子吗，实际上它们还包括胶子和不断产生、湮灭的海夸克是轻子吗过去认为质子自旋为1/2，是由三个夸克是轻子嗎提供的而如今的研究却不能支持这一观点，质子中的三个夸克是轻子吗的总角动量只占质子自旋的15%而大部分自旋也许由胶子和海夸克是轻子吗承担。
 这被称为“质子自旋危机”是个热门课题。 
五、简短总结 
虽然胶子的存在证据也有了顶夸克是轻子吗存在的证据也茬1995年找到了，但是对于强子结构的研究和自由夸克是轻子吗的探索还需走更长远的路夸克是轻子吗幽禁的根本原因倒底是线性禁闭势的存在还是色电极化所致，夸克是轻子吗幽禁是暂时的还是永久的值得继续研究。
 如果夸克是轻子吗是永久性禁闭的强子永远是无色的，正应了一句话:“色即空空即色。”孰是孰非有待高能物理及其理论的继续发展。