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夸克禁闭是什么？为什么会使夸克不能单独存在？

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发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：

夸克禁闭是什么？为什么会使夸克不能单独存在？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

夸克很多人都听说过，但“夸克禁闭”这个概念听说过的人应该不多，这算是粒子物理学中的一个“谜题”吧。

“夸克禁闭”描述的是一种物理现象，简单的说，就是指夸克不会单独存在。

我们都知道的是，这个物质的世界是由原子和分子组成的，原子核一般是由质子和中子组成的，而质子和中子是由夸克组成的。夸克是目前已知的最小的一种基本粒子，但科学家在物理实验的观测中，像质子与中子这些基本粒子是可以拿出来单独观测的，但夸克不同，我们现在所有的物理观察都无法观测到单独的夸克存在，只能发现由一对或几对夸克组成的粒子。这种无法观测单独夸克的现象被称为“夸克禁闭”。

“夸克禁闭”这种现象并不是因为夸克“尺寸”过于微小（小于10^-18米）而无法单独观测，而是存在一种无法打破的“循环”。在这里，我们要了解一点的就是，在微观层面，能量与质量的界限是比较模糊的，特别是夸克这种“级别”的，你把它看做是一小团能量也是可以的。对于质子或中子，它们之间结合是由核力，也就是在强相互作用力下结合到一起的，只要有足够的能量就可以把它们分开。

但这种“蛮力”对夸克则行不通，目前对于“夸克禁闭”的解释比较流行的是用弦理论，夸克之间是由强子连接的，而强子可以认为是一个极短的弦，夸克就是弦的两端，如果想让这个两个夸克分开，就需要很大的能量将这根弦“打断”，然而将两个夸克分开的能量足以在分开夸克的同时又形成新的一对夸克（能量转换为质量），这样一来，新的夸克和原来的夸克就又组成了两对禁闭的夸克。如此反复下去，就永远得不到一个“自由”的夸克。这有点像你将一个条形磁铁切断后，总是能得到两条新的磁铁而不是只有一个磁极的磁铁。

总之，“夸克禁闭”算是非常前言的一种理论，几句话根本无法清晰的描述，这里的解释只是非常笼统的，了解一点就可以了。

回答于 2019-09-11 08:43:50

首先我需要纠正题主一个错误的观念。

为什么夸克不能单独存在？

这样的提问已经是本末倒置了。科学不是解释自然现象为何如此，而是在自然现象的基础上归纳一般性规律，然后总结出的规律就是夸克不能单独存在。

比如科学家从来没有发现过单独存在的夸克，同时发现夸克之间的距离越远，吸引力就越强。基于这样的现象才总结出来了夸克禁闭的理论。

为了能使夸克之间的相互作用对接到物理学的范畴内，于是将夸克之间的相互作用归纳成一种新的力，这就是强力。

因为夸克之间的相互作用和引力和电磁力都不一样，这种因距离增加而增大的相互作用就是全新的一种力。

于此同时，科学家还发现夸克另一种性质，就是夸克的组成集体的量子态始终保持统一特质。

单独的夸克本来就有三种量子态，不管夸克怎么组合，其夸克组成集体的量子态总是一样的。

于是科学家借助了生活中三原色组合成白色的道理类比夸克的这种性质。

这也是夸克色荷的来源。这并不是夸克的颜色，而是借助三原色解释夸克的这种性质。

如果两个夸克组合在一起，那么各自必是互为反物质。比如携带绿色荷的夸克，其反物质夸克就是反绿。

绿+反绿=白。这种组合形式虽然在日常生活中的三原色种不存在，但是可以联想到正负数中和的理念。

还有一种就是三个夸克组合在一起，可以是红、绿、蓝色荷的夸克，也可以是反红、反绿、反蓝的组合。因为这样，夸克集体的色荷为白。

夸克为什么不能单独存在？

从多个夸克组合的现象到一般性规律，科学家还没有发现色荷不为0的夸克群存在。

如果夸克单独存在，它携带的色荷必然不为0，那就不符合科学家总结的一般性规律，而这个规律目前没有被打破。

所以在现有理论中，单独的夸克就需要和其他夸克中和色荷。

总结一下，夸克不能单独存在有两个原因。

一：夸克之间有强力，距离越大，强力越强。所以夸克不会脱离夸克群而单独存在。

二：夸克之间的色荷需要被中和掉，单独的夸克无法中和掉色荷，所以需要融为夸克群来中和。

不过这两点在本质都是一样的，那就是由夸克的量子状态决定的。

回答于 2019-09-11 08:43:50

夸克禁闭，实际上应该称为“色禁闭”(Color Confinement)。

先快速科普下色荷这个东西

色荷是夸克和胶子（强作用力的传播子）的一种特性，此概念是量子色动力学理论中最基本的概念。夸克和胶子的“色荷”与我们日常所说的颜色的含义完全无关。采用这种命名只是方便我们通过日常生活中三原色的经验关系来理解三种不同夸克的作用关系。[头条·小宇堂-未经许可严禁转载]

科学家们发现重子（如质子和中子）都是由三个各带1/3电荷的粒子组成，即后来被称为“夸克”的东西，而此三个夸克间除了电荷相互作用外，似乎还有另一种相互作用将他们黏合起来，且此粘合力的强度远远超越了他们之间的电荷斥力，使得重子成为非常稳定的基本粒子，这种力被命名为强作用力（真是力如其名啊）。




经过大量的观测和研究，重子当中三个夸克的关系被科学家们用了一种“三位一体”的模型来解释似乎非常合理，即让每个夸克可以有三种颜色选择（习惯上用三原色来命名，即红色，绿色或蓝色），而且这个模型还允许给夸克的反粒子——反夸克定义一套合理的色荷，同理利用的色彩理论中的反色关系，即反红、反绿或反蓝色。

上图：介子、重子和反重子的色荷模型。



强子分为：
介子，由一个夸克和一个反夸克构成；

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