压力管道校验周

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量子色动力学中的真空：真空凝聚、夸克禁闭
物理学家在20世纪初发现了原子的结构：由原子核和核外电子构成。进一步又发现原子核由质子和中子构成，质子和中子又是由夸克和胶子构成，这些基本粒子通过自然界的四种相互作用之一——强相互作用结合在一起。
1970年代，美国理论物理学家维尔切克 (F. Wilczek) 、格罗斯 (D.Gross) 、波利策 (D. Politzer) 等人利用SU(3)的规范对称性建立起强相互作用的量子理论——量子色动力学。这一量子理论预言了当原子核内部的两个夸克距离很近时，它们就像是自由粒子，称为渐近自由。这一现象成功地解释了高能区的核物理实验，获得了巨大的成功，也使这3位理论物理学家荣获2004年度诺贝尔物理学奖。
夸克是带有分数电荷的基本粒子，被完全束缚在原子核内部，这一现象被称为夸克禁闭。如何解释这一现象被认为是20世纪物理学悬而未决的两个重大疑难问题之一。有很多模型或理论尝试来解决这一问题，其中一个普遍的看法是夸克禁闭是由于核子中“真空不空”的特性造成的。
一个有启发性的例子是大家比较熟悉的超导。超导中有电和磁两个自由度，如图4(a)所示，在低温下，超导体中电荷发生配对并凝聚，超导体的基态或真空态是这些电荷的凝聚相。此时，磁场不能穿透超导体，称为完全抗磁性，即迈斯纳效应。
图4 (a)超导中基态或真空态发生凝聚，有完全抗磁性；(b)核子中基态或真空态发生凝聚，有完全抗电性，即夸克禁闭类似地，夸克有“色电”和“色磁”两个自由度，如图4(b)所示，在低能下，核子中的夸克的磁自由度发生并凝聚，核子的基态或真空态是这些磁自由度的凝聚相。此时，电场不能穿透核子，称为完全抗电性，即电力线都被挤压在核子内部，不允许电荷自由地释放出来，于是夸克被完全束缚在核子的内部。
进一步，正如水有固体、液体、气体等多个相，通过温度变化可以发生相变。如图5所示，可以想象，夸克禁闭是由于较低能量下，真空处在凝聚相，当原子核以极高速对撞，相当于处在极高能，这时真空可能发生相变，形成夸克—胶子等离子体的新的相。观测到这种真空相变过程，正是目前美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机的目标。目前，关于量子色动力学中真空的研究正如火如荼地开展着，如果能够在实验中看到真空相变的明确证据，这将是真空概念，乃至物理学的一个重大突破。
图5 随着温度升高，从夸克禁闭的真空态，发生真空相变，到夸克—胶子等离子体
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