Каково определение цвета (квантового состояния)?

Ты хорошо слышал. Но обратите внимание, что это не имеет ничего общего с реальным цветом. Причина, по которой свойство было названо так, заключается в случайном сходстве с тем, как смешиваются цвета, и в том, что у некоторых физиков странное чувство юмора.

Квантовая электродинамика

Обратите внимание, что речь идет о цветовом заряде . Поэтому представляется полезным сначала рассмотреть свойства нормальных (электрических) зарядов. Давайте поговорим, например, об электронах. Из классической физики мы знаем, что заряженные объекты создают вокруг себя электромагнитное поле, а это поле, в свою очередь, воздействует на заряженные частицы. В квантовой теории нужно квантовать это поле. Квант электромагнитного поля — это фотон, поэтому квантовая теория говорит нам, что заряженные объекты взаимодействуют электромагнитным путем, обмениваясь фотонами.

_{(источник: stanford.edu )}

Прочитайте изображение слева направо. Электрон излучает фотон, это заставляет его менять направление, и другой электрон поглощает его, меняя направление. Именно так квантовая теория объясняет электромагнитное взаимодействие.

Квантовая хромодинамика

Примечание: приведенное ниже обсуждение не будет технически точным из-за присущей квантовой теории сложности. Я подробнее остановлюсь на некоторых моментах в отдельном абзаце после этого.

Имея за плечами вышеуказанные знания, уже не так сложно описать квантовую хромодинамику (от греческого Χρώμα, chroma, что означает цвет). Вместо электрического заряда объекты могут нести так называемый цветовой заряд. Но их не один, а три: красный, зеленый, синий (да, это одно из внешних сходств с обычным цветом).

Итак, нам нужен еще один компонент нашей теории — что-то, что заменит фотоны. Такая частица существует и называется глюоном . Но обратите внимание: хотя было достаточно фотона только одного типа (поскольку был только один электрический заряд), нам нужно больше глюонов для обеспечения различных типов взаимодействий (например, взаимодействие между красным кварком и синим кварком, которое было бы опосредовано красным -антиголубой глюон и так далее). Итак, у нас всего девять типов глюонов, верно? Ну, на самом деле их всего восемь, и это одна из технических деталей, о которой я расскажу позже.

Обратите внимание, что квантовая хромодинамика предсказывает, что связанные состояния цветных частиц должны быть «белыми», что означает, что они должны, например, содержать три частицы: одну красную, одну синюю и одну зеленую (это еще одно сходство с реальным смешением цветов). «Белые» частицы, содержащие три кварка, называются барионами, и вы должны знать по крайней мере два из них: протоны и нейтроны. На самом деле оказывается, что существует более одного типа кварков (на самом деле шесть), и вы получаете различные частицы, смешивая их разные типы. Два легких кварка называются верхним и нижним . Протон содержит два подъема и один низ, а нейтрон содержит один верх и два падения. Хорошо, давайте посмотрим, как это работает:

Это довольно сложная диаграмма, потому что я не смог найти ничего проще, но позвольте мне попытаться объяснить, что происходит. Синий кварк падающего протона испускает сине-антикрасный глюон и при этом становится красным, а также немного меняет направление. Затем этот глюон захватывается своим красным нижним кварком, который превращает его в синий и выбрасывает из протона. То же самое происходит и с зеленым верхним кварком, с той лишь разницей, что в конце концов антисиний верхний выбрасывается из протона. Итак, у нас есть пара синий-антисиний вверх/вниз. Это нейтральная по цвету частица, и она называется пионом .

С точки зрения нейтрона применимо точно такое же обсуждение, так что я надеюсь, что теперь это хоть немного ясно. На самом деле эта картина объясняла то, как с точки зрения квантовой хромодинамики объясняются сильные взаимодействия протона и нейтрона в ядре.

Технические особенности

Все вышеизложенное относится к так называемым калибровочным теориям. Это теории, которые содержат определенное количество зарядов,$N$(например$N = 1$для электромагнетизма) и определенное количество взаимодействующих частиц. Но чтобы уточнить их количество, надо сначала поговорить о группе симметрий указанной теории.

Для электромагнетизма эта группа$U(1)$который является одномерным, и поэтому существует только один фотон. Для слабых взаимодействий есть два заряда, так называемые ароматы, и соответствующая им группа называется$SU(2)$; этот трехмерный, поэтому мы получаем три частицы-посредника:$Z, W^{\pm}$. Для сильных взаимодействий есть три цвета, и группа, описывающая их смешивание, называется$SU(3)$. Этот восьмимерный, что дает нам восемь глюонов. Можно также попробовать использовать$U(3)$группа, которая является девятимерной. Но это исключается экспериментом (!). Чтобы понять почему, позвольте мне уточнить другие утверждения, которые я сильно упростил.

В квантовой теории состояния часто являются суперпозицией других, более элементарных состояний. Оказывается, когда говорят о сине-антикрасном глюоне, на самом деле имеют в виду суперпозицию

$${1 \over \sqrt 2} \big( \big|b\big>\big|\bar r\big> + \big|\bar b\big>\big| r\big> \big)$$

и аналогично в других случаях. Это связано с тем, что на теорию наложены определенные условия симметрии, и это состояние инвариантно, если мы поменяем местами$b$а также$r$(не было бы, если бы он состоял только из одной части); но, конечно, было бы болезненно постоянно зачитывать эту формулу вслух, когда хочется говорить о глюонах; поэтому упрощение.

Теперь, как мы упоминали, фактические связанные состояния или частицы должны быть нейтральными по цвету. Оказывается, сами глюоны могут создать скалярное состояние

$${1 \over \sqrt 3} \big( \big|b\big>\big|\bar b\big> + \big|r\big>\big|\bar r\big> + \big|g\big>\big|\bar g\big> \big)$$

Если бы такое состояние существовало в природе, то существовало бы и дальнодействующее глюонное взаимодействие. Но мы знаем, что это не так. Так что фактическая группа меньше, просто$SU(3)$и у нас осталось восемь глюонов.

Позвольте мне дать здесь простой и простой ответ; возможно, кто-то еще может уточнить.

Лучший способ думать о цвете — это что-то похожее на заряд в электромагнетизме. (Действительно, цвет часто называют цветовым зарядом ). Это фундаментальное свойство частиц, связанное с сильным взаимодействием, и, как и электрический заряд, имеет дискретные значения (называемые красным, зеленым и синим — не воспринимайте их буквально). Обратите внимание, однако, что сильная интеграция работает гораздо сложнее, чем электромагнетизм (максвелловская или даже квантовая электродинамика).

В статье Википедии говорится:

«Цвет» кварков и глюонов совершенно не связан со зрительным восприятием цвета.[1] Скорее, это причудливое название свойства, почти не проявляющегося на расстояниях, превышающих размер атомного ядра. Термин «цвет» был выбран потому, что абстрактное свойство, к которому он относится, имеет три аспекта, которые аналогичны трем основным цветам: красному, зеленому и синему.[2] Для сравнения, электромагнитный заряд имеет один аспект, который принимает положительные или отрицательные значения.