从比约肯到量子色动化学

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1、从比约肯到量子色动化学从比约肯到量子色动化学量子信息与健康量子信息与健康 上海论坛解读（2）平角（四川绵阳）【摘要】本篇是通往大尺度结构部分子无标度性实在之路 50 周年纪念文章之一。从风筝 飘起来联想到水中氧基部分子衰变，设想存在一种量子色动化学，说明在常温和弱力的作 用下水中氧基部分子衰变为碳和氢基，使水能燃烧的争议，实情也许是用理论滞后的解释 保密水中氧基部分子衰变的技术不被扩散。 【关键词】氧基 无标度性 部分子 衰变 一、风筝飘起来与氧基部分子衰变 量子色动力学的诞生，使核物理学和粒子物理学这两门已分开的学科分而又合，那么联系 普通化学与核化学这两门已分开的学科，有没有再联系的可能呢

2、？例如假设有没有一门量 子色动化学，它不仅是一种重要的和不可取代的部分子、流夸克无标度性衰变的核方法- 与放射化学和量子化学有联系也有区别-它不仅蕴含着大量既具有重要科学意义，又能满 足国家重大需求的科学问题，而且与其他学科交叉，能产生许多新的学科生长点，而具有 生命力的一门实在前沿科学呢？ 2009 年 1 月 4 日下午和晚间，在量子信息与健康上海论坛的会上，原国防科工委新能源试 验开发基地副总工程师、上海恒变新能源研究所所长许驭先生，讲述了他与王洪成的“水变 油” 技术研究联系的亲身经历。2009 年 3 月 7 日下午和晚上，原国家物资部燃料司副司长 严谷良高工从绵阳到盐亭县玉龙镇考察

3、，在原玉龙镇农机站站长马成金工程师家，严谷良 先生也讲述了他与王洪成的“水变油” 技术研究联系的亲身经历。他们共同讲述了一个事实： 20 年前这即使在我国著名核物理学中也有“争议”，例如 1998 年著名物理学家王淦昌院士 曾说过：关于王洪成发明的水基燃料，我看过三次实验；有一次还乘王洪成用水基燃料行 车十多公里；希望尽快查明事实真相作出决断。而早在 1995 年著名物理学家何祚庥院士 等就要求，对王洪成“水变油”骗局立案调查；其主要是:根据能量守恒定律，水中没有碳原 子，怎么可能用催化剂将它变成主要成分为碳氢化合物的燃油呢？20 年来这类视线把我们 引向比约肯，引向假设如有量子色动化学，引向

4、到了通往大尺度结构部分子无标度性实在 之路。 1、詹姆斯比约肯（J.D.Bjorken）是当代著名理论物理学家，他特别强调实验数据对高能 物理学发展所起的作用，并对基本粒子物理学的发展做出过若干影响深远的重要贡献。 1956 年比约肯在麻省理工学院获得理学学士，1959 年在斯坦福大学获得理学博士，1962 年至 1979 年在 SLAC 先后任副教授和教授，1979 年至 1989 年担任费米实验室理论部副 主任。1998 年至今为斯坦福大学荣誉教授。2004 年荣获国际理论物理中心颁发的狄拉克 奖章。 1）比约肯曾运用流代数研究过中微子散射。当 SLAC-MIT 实验得到反常结果时-如果把

5、电 子-质子深度非弹性散射和电子-质子弹性散射以及电子-电子弹性散射分别进行比较，就会 发现随着散射角增，电子-质子弹性散射截面急剧下降，而深度非弹性散射截面与电子-电 子弹性散射截面之比却变化不大。这一事实表明，电子以极大的能量深入到质子内部时， 遭遇到的不是“软”的质子靶，而是和电子类似的点状“硬”核。然而，当时实验物理学家们并没有领悟到这一点。作为 SLAC 理论组成员的比约肯，转而研究电子-质子深度非弹性散 射，运用流代数求和规则对实验结果作了分析，并提出标度无关性（scaling），对实验结 果作出了解释。流代数是很抽象的数学方法，比约肯的工作一直未能得到人们的理解。 2）1968

6、年 8 月，正当人们对标度无关性的物理意义疑惑不解之时，费曼来到 SLAC 实验 小组，人们向他展示深度非弹性的反常结果，并告诉他比约肯用标度无关性作出的解释。 费曼很感兴趣，只用了一个晚上就解决了这个难题。费曼是把质子看成是部分子的复合体， 把电子-质子深度非弹性散射看成是电子与部分子发生弹性散射。经过计算，证明比约肯 的标度无关函数正是部分子的动量与质子动量之比。就这样，费曼从深度非弹性散射和标 度无关性找到了部分子模型的重要证据。而早在 60 年代初，费曼就曾用直观图像来描述 高能强子之间的相互作用，认为这种相互作用是通过交换强子内部的组成部分来完成的， 他把这些组成部分称为部分子。 3

7、）事情清楚-1968 年费曼根据电子深度非弹性散射实验和比约肯的标度无关性，提出高 能碰撞中的强子结构模型，认为强子是由许多点粒子构成，这些点粒子就叫部分子。部分 子模型能较好地描述有关轻子对核子的深度非弹性散射、电子对湮灭、强子以及高能强子 散射等高能过程，并在说明这些过程中逐步丰富了强子结构的物理图像。费曼的部分子模 型和盖尔曼的夸克模型从不同角度，用不同方法，达到了相同结论。人们很快就明白了， 原来部分子和夸克是一回事。另外，电子-质子深度非弹性散射实验还表明，盖尔曼 1962 年提出的电中性粒子“胶子”有可能存在。1971 年，韦斯柯夫和库提提出，正是这种胶子在 夸克间传递强相互作用才

8、使夸克组成强子。接着，1973 年创立了量子色动力学；1979 年 丁肇中小组首先找到了支持胶子存在的证据。 2、量子色动力学简称 QCD，是粒子物理标准模型的一个组成部分。这是一个描述夸克之 间强相互作用的标准动力学理论，它能够说明轻子对强子深度非弹性散射的异常现象、喷 注现象以及夸克的色禁闭问题。在量子电动力学中，电磁作用是荷电粒子之间交换光子而 相互作用；在量子色动力学中，夸克由于带色荷而产生强相互作用，夸克之间交换胶子。 与电磁相互作用不同，光子是不带电荷的，而胶子是带色荷的，因此胶子之间还可直接有 强相互作用。因为按照强子结构的夸克模型，所有的重子都由 3 个夸克组成，所有介子都 由

9、一对正反夸克组成。为了与泡利不相容原理相一致，重子内部的 3 个夸克分别处于不同 的状态，即夸克内部存在一种新的自由度，夸克分处于该自由度的不同状态，而重子作为 整体并不显示这种内部自由度的性质。这种情形与颜色的情形十分相似，红、蓝、绿 3 原 色组合为无色，一种颜色和它的互补色组合为无色。因此借用色彩学上的意思，把强子的 这种内部自由度称为色自由度，夸克具有色荷，夸克和反夸克的色是互补的，3 种不同色 荷的夸克组成的重子是无色的，正反夸克组成的介子也是无色的。但量子色动力学至今仍 然是一个没有被完全解决的问题，粒子物理学家们提出了许多处理方案如手征微扰理论， 但其中最直接有效的还是肯尼斯威尔

10、逊的格点场论。 1）核理论的发展要藉助于各种模型。深度非弹性散射实验揭示，构成原子核的核子内部也 具有弥散的、不连续的、带电的部分子结构。从夸克模型来看，构成原子核的核子是由 3 个价夸克及称为海夸克的虚的夸克-反夸克组成的，传递核子间相互作用的介子是由价夸克 和价反夸克及海夸克和胶子组成的。从这种物质构造的新观点看，核“环境”对核内核子的 夸克和胶子的密度分布有什么影响？如何统一核子的部分子图像和夸克图像？如何处理大 尺度时夸克的作用？文献上的组分夸克和流夸克两种不同概念，并不为绝大多数人所知晓。 流夸克概念出现在组分夸克之后，且不同于组分夸克。核子结构函数的标度无关性揭示， 部分子就是流夸

11、克和胶子的总称。核子中可以激发出无数个流夸克，其中有 3 个具有组分 夸克相同的量子数，称为价夸克，其余的则称成为海夸克。一般设想组分夸克周围“凝聚” 了海夸克和胶子后，形成的准粒子，这种凝聚与量子色动力学真空有关。真空中弱力和强力各自的相互作用衰变，都存在分解与聚合两种虚的类似夸克-反夸克等准粒子生成的变化， 这不同于核裂变和核聚变。 2）滞后的核裂变和核聚变理论认为，真实的核裂变就称核分裂，它是一个原子核分裂成几 个原子核的变化，但又是专用于由重的原子-主要是指铀或钚，分裂成较轻的原子的一种 核反应形式。 因为只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生的核裂变。聚合是 比表面减小的过程

12、，为放热；分解是比表面增大的过程，为吸热.。.但裂变可不等同于简 单的分解，而是一种核化学反应-其原子的原子核中，质子与中子之间都存在两种力，即: 核聚引力和核斥推力。当质子电荷数越大，中子也越大时，二者的这两种作用力将越强。 当外加能量达到一定值时，即可越过原子轨道能垒打破这种平衡，使内在的核能释放出来， 原子要发生裂变，如铀核的裂变就是由高速的中子撞击所提供的能量，在吸收能量之后， 原子能级越过能垒，核斥能量就释放了出来。释放出的核斥能量远远高于中子的引发能和 因比表面增大而吸收的能量，这就是裂变能。而,在聚变过程中，因核聚引力释放出了核聚 能，同时该过程又是一个比表面减小的过程，于是在这

13、个过程中还会释放出大量的结合热， 这就是聚变能高于裂变能的原因.。轻原子核的融合与重原子核的分裂都能释放出能量，分 别称为核聚变能与核裂变能，简称核能。 3）类似支持何祚庥院士等根据能量守恒定律的人，如张建军、饶刚等先生认为，如果用 “水变油”形象地比喻水和二氧化碳在光能和催化剂的作用下转换为碳氢化合物这一化学过 程，并且用实验证实，用学术论文形式发表在专家评审的学术期刊上，它根本就不是伪科 学了。在上述化学过程中，其基本原理还是很清楚的，也就是一个能量转化罢了。而套用 不明不白的词汇“弱力”是啥意思？除非先定义一下。但在量子夸克一书中，弱力是自 然界中四种基本相互作用力中的一种，还需先定义一

14、下吗？我们理解张建军、饶刚等先生 的看法是，因为无论量子色动力学还是比约肯的标度无关性理论，对 13 亿中国人民来说， 都好似没有用处。这些在大型粒子加速器实验基础上产生的理论，由于大型粒子加速器不 是任何人和国家会大批量生产，使绝大多数从事科学研究的人只能处于交换信息的地位。 这种恶性循环，使类似我们的三旋理论也是处于交换信息的位置，也面临向何处去的问题。 张建军说：“如你真能动动手，你就不会这么说了!”所以真实的核裂变、核聚变理论，才是 支持根据能量守恒定律的人的选择。 4）在量子色动力学理论中，类似希格斯粒子基本不发生作用，它实际是类似弱力理论中的 角色，所以张建军认为不存在希格斯粒子。

15、在核物理学中，弱力会通过放射性衰变过程表 现出来；在量子色动力学中，弱力的传递者是 W 粒子和 Z 粒子，它们扮演的角色类似于光 子在量子电动力学中担当的角色。但在量子电动力学中，光子是真实的光子；在量子色动 力学中，虚光子也生成 W 粒子和 Z 粒子，但从核裂变和核聚变实验看来，这类似违反了能 量守恒定律-一组高能电子-正电子对产生了一个能量非常高的虚光子，光子自己又产生 了一组带电的费米子-反费米子对，该过程在效果上同最初的碰撞过程相反。当然，光子 也可能又产生一组电子-正电子对，但这种过程在实验中存在的大量电子-正电子对之间是 很难观测到的，并且实验中许多发生相互作用的电子-正电子对实际

16、上不发生湮灭。另外， 通过同样的方式，夸克-反夸克对也可以由类似电子-正电子对这种湮灭产生，这些夸克与 反夸克不能够在实验者的探测器上被观测到。而且对于 3 种味道的夸克，每一种味道又有 3 种可能颜色，产生的每种夸克-反夸克组合可能性都是原来所预料的 3 倍。 其实虚光子比实光子厉害，而且这正是在依据能量守恒定律。在量子电动力学中，飞行在 空间的电子以电斥力相互作用，这两个电子交换的一个光子，就称为“虚”光量子，以区别 “实在”的光子，而以此交换引起两者之间的排斥作用。把这个过程作出费曼图，以及联系 弱力衰变过程作出的一些费曼图，很能说明弱力衰变类似一种量子隧道效应。我们在后面 再来推证。3、中国古代有“点石成金”的说法，这只能是“神话”。但是在现代，有了核裂变、核聚变理 论和粒子加速器的情况下，“点石成金”也能办到。然而在目前的普通化学中，广泛应用的 化学理论是：价健理论、分子轨道理论和配位势场理论。根据这些理论，说在常温和弱力 的作用下，水中氧基部分子能衰变为碳和氢基部分子，使水能燃烧变为水蒸气；而且在实 验者的探测