量子色动力学是一个庞大的课题，许多人为此投入了大量时间和精力。本书主要介绍了量子色动力学及其基本规律和发展历程。另外，书后还收录了重大事件的历史年表，以帮助读者勾勒出QCD随时间发展的脉络。具体内容包括力及其相关理论简介、量子世界、QCD理论的一个数字、群居的胶子、显微镜下的夸克、棋盘QCD理论等。

你能感觉和触摸到的世界是由原子构成的，原子是能够分辨的最小物质块。但是原子中心本身又是一个全新的世界，其中的居民是夸克：夸克看不到，不可思议地小，但却是构成我们这个宇宙的最小砖块。在夸克统治的这个世界中，规则与我们的世界大不相同。这些规则是量子规则。巨大的粒子加速器可以将这个世界展现在物理学家们眼前，使他们能够形成一套关于量子规则的理论，用来解释夸克何感觉彼此的存在。《量子夸克》讲的就是这套理论：量子色动力学。

前言

致谢

第一章 力及其相关理论简介

第二章 对称性

第三章 量子世界

第四章 向QCD进军

第五章 QCD理论的一个数字

第六章 群居的胶子

第七章 夸克和强子

第八章 显微镜下的夸克

第九章 庸人自扰

第十章 棋盘QCD理论

附录1 QCD年表

附录2 小辞典

时空弯曲

一只满屋子“嗡嗡”乱飞的苍蝇，是一个运动缓慢的、非相对论性的普通物体。要描述苍蝇在屋子中的位置需要3个数：第一个数用来表示苍蝇在沿屋子长度方向上的位置，另一个用来表示它在沿屋子宽度方向上的位置，第三个数表示它距离地面的高度。换句话说，房间内部是一个三维的空间。

过了一段时间之后，假设苍蝇已经移动了一段距离，它的位置又可以用3个另外的数给出。时间是每次测量之间的间隔，在日常生活中，它是与空间(如长、宽和高)完全分开的。爱因斯坦第一个认识到时间和空间并不是相互独立的，时空是以某种简单的方式相互纠缠的。只有当两个以极高速度相对运动的实验者，相互对比他们的时钟和尺子时，这种纠缠效应才会显得十分明显。

苍蝇从这儿飞到那儿所经历的时间间隔是多少？在非相对论情况下的实验者们，很容易在这个问题上达到一致。他们也会对苍蝇从刚才的位置飞到现在所在的位置，所经过的距离达成一致。他们所认同的是由“距离定则”所给出的总距离，而不是他们按照各自的参照系所测量到的那3个表示空间位置的数。距离定则的内容是：先求3个方向上的距离的平方和，然后再取平方根，所得的值就等于空间内两点之间的距离。这有一点像直角三角形中的毕达哥拉斯定理。这中间没有任何技巧，如果你找一把尺子直接量一下两点间的距离，你得到的测量结果会和距离定则给出的结果一致。

在狭义相对论中，实验者们只会认同一个修改过的、由时空间隔复合而成的“距离”，可以通过一种清晰的方法把它计算出来。人们不能在通常意义上的空间距离和时间间隔上达成一致，因为它们各自都要遵从洛伦兹变换的表达式。实际上，洛仑兹变换是一套完备的变换形式，通过它可以推导出这种“修改后的距离”表达式。原则上，一套能保持某些量完备性的变换可以构成一个群，洛仑兹变换所构成的就是洛伦兹群(Lorentz Group)。

按照经验，也是狭义相对论中比较重要的一点，就是在包含极高速度的情形下，用四维时空的方式处理问题，会比用三维空间加上第四个与众不同的时间维度更加严谨。

让我们再次回到那间有苍蝇的房间。连接苍蝇刚才所在的位置和现在的位置之间的线段，也可以用3个数来表示。如果这只苍蝇想要逃跑，那么它在长和宽方向上移动的距离值可能会很小，但高度变化却会很大。这条线段也具有一个方向，就是从苍蝇刚才所在的位置指向现在的位置。就像一个提示怎样追踪苍蝇的箭头一样。一条由一组数和一个方向所确定的线段叫做向量(Vector，也叫矢量)。而像苍蝇质量这种只有大小没有方向的物理量，被称作标量(scalar)。实际上，由于三维向量历史最久且最为常用，人们常常把三维向量简称为向量，而把前面的定语“三维”给省略掉了。

在狭义相对论中，要运用两个实验者都认同的“修改后的距离”，就必须用到由四个数和一个方向所确定的向量，这就是四维向量。它是用来讨论狭义相对论和粒子物理问题的一种基本物理量。四维向量就是满足相对性变换(例如洛仑兹变换)的四个数，其中三个数表示某一事件的空间坐标，另一个表示时间坐标。为了证明这一点，我们可以计算四维向量(而不是三维向量)的改变量，其大小正好等于时间间隔同光速的乘积。以极高速度相对运动的两个实验者，可以把4对(8个)数放入“修改后的距离”公式，求出他们所认同的两个事件之间的“时空距离”。除了连接两个点之间的向量——位置向量之外，另一类重要的向量是速度。我们还要再看一下刚才那只苍蝇，这有助于了解苍蝇飞得多快以及它的飞行方向，以便打苍蝇的人能够迅速完成任务。速度的大小与方向构成了一个速度向量，由于只需要三个数就可以确定苍蝇的速度，因此它也是一个三维向量。

如果发生了苍蝇和另一个飞行中的物体相撞的事情，那么用另外一类向量——动量来处理问题会比用速度更加有用。从数学上来讲，动量是质量与速度的乘积；从物理上来讲，动量描述了朝某个方向运动的某个东西有多重以及它运动的快慢。当苍蝇撞到别的东西或者粒子发生相互作用时，守恒(即保持不变的)量是动量而不是速度。因此，在描述物理过程的时候，动量总是比速度常用得多。

在高能物理中当然也是这样。粒子在探测器中以接近光速的速度交错前行。狭义相对论预言，最简洁的方式是利用从普通动量扩展而来的物理量——四维动量，这是另一个四维向量的例子。四维动量在具有很高速度的粒子对撞中保持守恒，这使它成为物理学家们讨论和测量粒子相互作用的常用语言。

P45-47

掂一下这本书，你就能感觉到地心引力的作用。看到这一页字，你会意识到光的存在：引力和电磁力对我们来说，都是再熟悉不过的东西了。但是大自然还操纵着另外两种我们不怎么熟悉的力。要了解这两种力的机理，就要在进行高倍放大后，在特别精细的尺度上观察世界，这时日常事物都会呈现出更为基本的组成部分。这两种我们不太熟悉的力，分别叫做强相互作用力(strong force，简称强力)和弱相互作用力(weak force，简称弱力)。强力使组成物质的最基本成分结合在一起，为我们的太阳提供动力，而弱力则参与放射性过程。物理学家们已经提出了一套理论，来说明强力怎样在最基本的层次上产生作用，本书的内容就是关于这套理论的。这套理论就是量子色动力学(quantumchromodynamics)，或简称为QCD。它是人类智慧最伟大的成就之一。

研究强相互作用力的物理学分支叫做粒子物理，或者也可以叫做高能物理。高能物理学家也研究弱相互作用力，但是我们可以耍个小把戏，把有关弱力的东西，连同包括引力在内的所谓大统一理论都放到一边。就像一本历史书，可能仅涵盖了英国历史，而不是整个欧洲的历史一样，本书的主要目的是介绍量子色动力学及其基本规律和发展历程。就像一本讲述英国历史的书并不能记载所有的英国历史一样，本书也不可能面面俱到。为了方便更广大的读者，与其他介绍粒子物理的书相比，本书更加详细地探讨了量子色动力学及其相关内容。

《量子夸克》一书意在使广大读者容易理解书中内容：读者不需要有物理学或数学基础，本书使用的符号也做了最大程度的简化。如同一本俄国名著中会有许多人物的名字令我们感到陌生那样，本书也会有很多晦涩的术语，因此书后提供了详尽的术语表供大家查阅。书后还收录了重大事件的历史年表，以帮助读者勾勒出QCD随时间发展的脉络。量子色动力学是一个庞大的课题，许多人为此投入了大量时间和精力，如此多的内容无法全部包罗在本书当中。我希望有关专家们能原谅我略去了一些观点、人物、实验以及参考资料，权且让我们在伟大思想之间信步，做一次轻松的旅行，而不要把本书作为一本教科书来对待。