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渐近自由是某些规范场论的性质,在能量尺度变得任意大的时候,或等效地,距离尺度变得任意小(即最近距离)的时候,渐近自由会使得粒子间的相互作用变得任意地弱。

渐进自由

“渐近自由”理论是指对质子内部夸克之间所表现出来的一种力的相互作用关系的描述。
该理论认为,夸克之间的相互作用力随夸克之间的距离增加而增大,就是说,如果夸克之间的距离非常近,夸克之间的相互作用力非常小,每个夸克处在几乎“自由”状态,反之,夸克之间的相互作用力非常大,夸克之间的相互作用力与夸克之间的距离成正比。如果用比喻来理解这种现象,这就好比橡胶带效应,橡胶带向外的拉力越大,那么,橡胶带内部的“凝聚力”就越大,橡胶带的拉力与橡胶带的“凝聚力”之间成正比关系。当然,任何力都存在量的限度,橡胶带可以拉断,质子也可以破碎。

简介

物理学中, 渐近自由是某些规范场论的性质,在能量尺度变得任意大的时候,或等效地,距离尺度变得任意小(即最近距离)的时候,渐近自由会使得粒子间的相互作用变得任意地弱。
渐近自由是量子色动力学(QCD)的一项特性,QCD是描述夸克和胶子间的核相互作用,而这两种粒子是组成核物质的基本构成部份。在高能量时,夸克与夸克之间的相互作用非常微弱,因此可以通过粒子物理学中的,深度非线性散射的截面DGLAP方程(描述QCD的演化方程),来进行微扰计算;低能量时会进行强相互作用,来防止重子(由三个夸克组成,如质子及中子)或介子(由两个夸克组成,如π介子)分体,这些都是核物质内的复合粒子。
渐近自由的发现者为弗朗克·韦尔切克、戴维·格娄斯和休·波利策,他们在2004年因这项发现而获得了诺贝尔物理学奖

发现

在1973年,弗朗克·韦尔切克和戴维·格娄斯,与休·波利策两组人发现了渐近自由。虽然这些科学家是最早明白渐近自由,与强相互作用的物理关联。早在1969年,俄国物理学家约西夫·赫里普洛维奇(Iosif Khriplovich)就发现了SU(2)规范场论的渐近自由,但当时只被当成数学趣事;而杰拉德·特·胡夫特在1972年也注意到这个效应,但并没有发表这个发现。因为这项发现,韦尔切克、格娄斯和波利策获颁2004年的诺贝尔物理学奖
这项发现对复兴量子场论很有帮助。在1973年前,不少理论学者怀疑量子场论在基础上矛盾,这是因为相互作用在短距离下的强度为无限大。这个现象一般叫朗道奇点,它为理论所能描述的最小距离下了定义。这个问题是在研究标量旋量间相互作用的场论时发现,因此量子电动力学也有这个问题,所以雷曼正性就使不少物理学者都怀疑朗道奇点可能是无可避免的。渐近自由理论在近距离时会变弱,所以没有朗道奇点,因此普遍认为这种量子场论,在任何距离尺度下都一致。
尽管标准模型并非完全渐近自由,但实际上朗道奇点只在强相互作用中构成问题。因为其他相互作用太弱了,所以任何矛盾都只能在普朗克长度以内的距离中出现,而无论如何,对于描述这个距离内的现象,量子场论并不胜任。

屏蔽与反屏蔽

在尺度改变的情况下,在理解一物理耦合常数的变化性质时,可由带有相关电荷的虚粒子所感受到的场下手。在量子电动力学(QED)下,朗道奇点的状态,成因是真空中虚正反带电粒子对的屏蔽作用,这种粒子对的例子为电子正电子对。在电荷的周围,真空被“极化”:相反电性的虚粒子被电荷吸引,而相同电性的虚粒子则排斥。在任何有限距离下,真空极化的净效果会抵消掉场的一部份。当愈来愈接近中央的电荷时,能看到的真空效应会愈来愈少,而有效电荷则会增加。
在QCD中,同样的现象会发生在虚夸克-反夸克对身上;它们会有屏蔽色荷的倾向。然而,QCD还有一道难题:它的载力子胶子本身就带有色荷,而且方式不一样。每一胶子都带有一色荷及一反色荷磁矩。真空中,虚胶子的净效应并不会屏蔽场,反而会加强它,并改变其色。这个现象有时会被称为“反屏蔽”。当愈来愈接近夸克时,周围虚胶子的净反屏蔽效果会愈来愈弱,因此这个效应在距离减少的情况下,会使有效电荷变弱。
由于虚夸克与虚胶子引起的效应相反,所以哪种效应会胜出,就取决于夸克种类(又称)的数量。在标准三色的QCD中,只要夸克种类不超过16种(反夸克不分开计算),那么反屏蔽就会取得胜利,故此时理论有渐近自由。实际上,已知的夸克味只有6种。

计算渐进自由

渐近自由可经由计算β函数来推导出来,函数描述的是在重整群下,理论中耦合常数的变化。在距离足够短的情况下,或动量交换大的情况下(会观测到短距离效应,大体是因为量子动量与德布罗意波长间的逆关系),渐近自由理论可以通过费曼图微扰理论计算得出。因此在理论上,这样的情况较易追踪,比距离长且耦合常数强的情况好得多,而后者则常出现在这类理论中,被认为是夸克禁闭的成因。
其中α为理论中精细结构常数的等价,在粒子物理用的单位中( c= ħ=1)为g/4π。若这个函数为负的话,该理论就有渐近自由。而在SU(3)的情况下,由于SU(3)是QCD色荷的规范群,因此在夸克种类小于或等于16种时,理论有渐近自由。
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- 来自原声例句
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