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创造 QCD 的关键步骤 ——逻辑得和历史的 QCD 产生的笔记 曹天宇 QCD 是科学史上的伟大创举之一。它根本地改变了我们的物理世界的根本本体论的概念而和背后的动力学。它所发现的不止是新的粒子和新的力，更是关于更深层次的物理实在，一种新的实体。动力学地，强核力不再被认为是基础的，而是关于未取消的余留的更强的由胶子传递的长程力的地位问题。从一个长远的愿景来看，更重要的而不是在于这些发现而是它打开了一个新的通往物理世界的更多未知的层次的新特征，诸如瞬子、θ真空和有效能量。有效能量的概念允许我们去概念化神秘的量子数流以及概念化强子化。尽管有效能量的形而上学地位不是非清晰此时，但是打开了复杂嬗变的过程物理世界在统一之路上概念化的一个窗口。
QCD 产生的天然的逻辑 在对过去的回顾中，我们清楚地知道 QCD 是夸克和胶子（规范玻色子）的非阿贝尔规范理论。自然地我们会设想 QCD 的产生有两个构成：夸克的引进或者构造或者发现，SU（3）色规范对称性。夸克被 George Zweig（1964）、Yoichiro Nambu(1965)、Richard Daliz(1966)和许多其他的人自从 1964 年引进和揭示。因此 Harry J.Lipkin，一个杰出的理论物理学家，在1992SLAC 会议上声明，粒子物理学的历史的第三次国际会议，
颁发给 QCD 的诺贝尔奖作为强相互作用的描绘可能被授予 Sakharov，Zeldovich，和南部。他们一起在 1966 年指出 ：强相互作用的 Balmer 公式，波尔原子，以及薛定谔方程。所有后来的发展导向了 QCD 只是数学的和公共的关系而不是新物理学的。（Lipkin，1997）
Murray Gell-Mann 是第一个提出夸克思想的物理学家（1964a）,并且和 Harald Fritzsch一起第一次形式化了可行的色八胶子图像在 1972 年。在 SU（3）色规范对称性中，南部可以说有着优先发言权比起 Gell-Mann 和 Fritzsch。对于夸克，情况变得更为复杂。Gell-Mann的臭名昭著就在于他反复地和坚持声称分数电荷的夸克是数学地和虚构地设计；它们不可能是真实的因为它们从未被探测到在实验室中独立地。这与南部的对夸克的概念是尖锐地对立的，作为带整数电荷的并且因此可观察是真实的。Gell-Mann 对夸克的实在的反对基于两个原因。第一，没有人有关于是什么力将夸克结合成强子的观点，没有胶合的力，夸克的概念作为强子的构成就变得没有了任何意义。第二，被靴带思想约束，分数电荷的夸克必须永远是被隐蔽的，永远在在实验室中不能被分离出来而观察到。一直到 1971 年，Gell-Mann 和Fritzsch 依旧声称“如果夸克是真实的，俺么我们不能将它们视为准费米统计序列 3，因为那据说是破坏了远距离亚系统的 S 矩阵的因子”；不把这样的准统计赋予给夸克，夸克理论家们就深陷麻烦中，面临着直接的大量的经验性事实的冲突，从π到二γ衰变到整个μ子和强子生成的截面的比率。后来的夸克思想的成功以及夸克实在性的普遍性接受已经给出许多物理学家、物理学历史学家和物理哲学家对作为数学工具主义者的Gell-Mann的严厉的批评，并给了夸克实在主义的身份由于夸克的发现。
夸克发现，尽管是非常复杂和难的去解决的问题，夸克的发现被包含其中。对于物理学实体，Priestley 不被认为是氧气的发现者尽管他观察到了许多关于氧气的关键效应，被他称为“燃素气体”；但是 J.J.汤姆孙依旧将它视为作为电子的发现者，尽管电子概念根本上是被卢瑟福和量子物理学家们提出。对于这样一个不同认知的确证的标准是什么？实体的辨识的特征之后被实验所发现。如果核心依旧是相同的通过根本的改变在确认实体上，那么起初的发现将被尊重而非相反。
现在夸克怎么样了？实验的发现事实上是对之前的理论发现的确证。那么理论的夸克是谁做出的发现？夸克现在被认为是签字的承购有着整体的结构属性集合，诸如分数电荷、色
和耦合的色胶子矢量，常常与作为一个夸克的某个可以辨识的东西一起是一致的。从这样的一个标准判断，Gell-Mann 和 Zweig1964 年的夸克概念，由南部和之后的其他许多人，被确认为作为通往作为自然实体的夸克发现的一步，但是并不是它自身的发现。我们将回到这个有趣的重要的问题在本文最后的结尾处。
QCD 的创造的语境 明显地，诺贝尔协会并没有听取 Lipkin 的。但是明显地是它依旧有着困难在欣赏关键的通往 QCD 产生的路上。尽管它是可以理解的如果我们考虑丰富的科学发展的结构，导致 QCD的诞生，发生在冲突着的思想、困惑和错误的思想的丰富语境中。
理论地讲，从 QCD 中产生的矩阵有三个要素：S 矩阵理论、流代数和夸克构成模型。
介子理论的不可撤销和朗道对量子场论的严格的批判主义是错误的相信微观时空和微观因果在人类认知中是不可知的，导致了 S 矩阵理论的产生，以关系色散的形式，雷吉迹、靴带理论或者自由核，被盖尔曼和 Goldberger 提出，之后被 Geoffrey Chew 发挥。
基于为了避免 QFT 无穷大所导致的理论光彩的玷污，靴带理论者坚持经验地反常态的可获得性，这超越了相互作用区域。这个从基础的调查了究竟在核子相互作用中发生了什么导致了我们通过一般性的远离得到现象的层次理解在散射过程的理解上，并且相互作用是概念化为散射值的极，运用色散关系作为柯西-黎曼方程去表达 S 矩阵元，根据其奇异性。他们声称所有的强子作为雷吉迹上的 S 矩阵的极，是合成的特征。关于所有强子享有同样平等的地位在合成中的推论，不存在关于分割的重点也不存在基础的粒子在原子的意义上在强子的层次上，更不要说在更深层的、不可到达的层次上。因此 SMT 可以被特征化，最重要地是，通过对基础性的反对。
从基础到现象的运动有着另一个方向，被对称思想所引导。对更高和更高能量的碰撞被美国政府大力地支持在二次世界大战后导致了新粒子的增殖和共振。它们的属性的确认给出了它们的根本结构的线索，之后被解密通过对称层次的思想：每种相互作用被来自层次上的一个或者更多的对称性所表征被自身的矢量玻色子。（盖尔曼和派斯，1954）
对称方法有两个版本：复合模型和流代数。复合模型中最重要的是 Sakata 模型（1956）和 SU（6）夸克模型。它采用的是全域对称去表征强子系统的结构，用强子的静态属性去揭示。通过推测，非相对论的、数学基础和潜在的机制对于核子的被观察到的行为模式（对称），模型的构成享受了某些成功在光谱和选择规则上。成功的 SU（6）对-3/2 的预测对于中子和质子磁动量比率是对构成性的明显的证据，因为仅仅符合模型给出了一个简单整体时刻的比率。构成成分如何动力地形成的知识的缺乏出卖了其被猜测的本性。
相比较而言，流代数是从潜在的相对论理论模型中抽取出来的。强子流从潜在的相互作用概念中推出被作为强子过程的基础实体，有着未知的一类构成。这个示意了一个从本体论承诺上从强子到流的转移，因此一个门被打开了用于揭示经验地可以到达的外在的和内在的对流的约束。被另一个本体论的转换所跟随的是从流到强子，正如我们将要看到的根本的假设是签字流是强相互作用的全域对称的表征，被 CVC 和 PCAC 的成功所暗示的，并且因此遵循了代数关系从对称群中导出的，这在相等的时间对易关系中是封闭的。这个被构想的对称约束允许精确的代数关系，在可测量量被从量子场论的整体对称中推导出。但是大门不是关闭的对于揭示潜在的量子场论模型的整体的动力学的对称，尽管某些从数据来的刺激和从理论发展的动机是需要的，正如我们将立即看到的。
为了给出对所提出的对称的一个基础的解释，盖尔曼在 1964 年提出夸克的思想。这个主张给出一个大门对于探索流夸克，用流代数约束的，因此打开一个新的路径对于进一步的有成果的揭示。主义盖尔曼的流夸克根本的不同于夸克场中的纯粹的激发态的夸克构成，它们是虚构的，因为没有理将它们约束在一起成为一个强子。最重要的是，它们不是强子的构成独立的存在，而是被假定为沉浸在关系网中，仅仅作为流中的占位符满足所有的结构的约
束由流代数所附加上的。
两种对称方法之间的冲突是在于它们的潜在的假设涉及的夸克的本性是清晰的，但是不是根本的像它们之间都内在的基础性概念一方面和靴带另一方面反对基础性，正如我们即将看到的。但是更为困扰的是任何试图去理解和欣赏什么是关键的在概念的建立过程中导致QCD 的诞生是有些困扰的及错误的信念。彻底地错误的信念，被后事之师所见到的，关于电荷和反常的夸克和胶子态，关于大量的胶子传递色相互作用导致大的质量破裂在不同的夸克三喷注中，或者关于味规范不变性在强子层次上，已经被抛弃和忘记现在。但是有些基础的困扰涉及到规范原理的本体论基础，或者有着或者没有 QCD 作为潜在的基础的夸克模型的有效性和实在性，甚至现在广泛被支持。因此诺贝尔协会不应该被谴责授予其著名的奖给20 世纪中伟大的物理学成就之一：QCD 的创造。
通往 QCD 创造的关键步骤 物理学家们没有通往假设实体的认识论通道和解释现象的动力学，除了从被现存的理论和数据得到的约束给出的线索。在 QCD 中，作为以上被勾勒出的理论有着冲突的假设；同时数据，诸如强子光谱，雷吉轨迹，π-二γ衰变率或者全部的强子的截面和μ子在电子正电子湮灭中的产生之间的比率 R，有意义仅仅当它们被理论解释。因此如何从这些暗示获得进展，这个意义需要解释，通过概念的合成，形成一个新理论的概念基础的形式系统，是一个对理论家们的温和的挑战；而概念的发展，在冲突思想下的有争议的领域中发生，导致QCD 的产生以及早期的确认被极大地复杂化以及难以去捕捉。
为了让判断哪个步骤是关键的的工作更容易些，我建议标准不应该是原始的没有前驱者的思想。原创性可能是流代数或者重整花群分析基于度规反常，但是确定的是对于总和规则或者规范不变性不是这样的。甚至于，标准应该是历时地有效的的一步。即，关键的一步仅仅是当其提供了一种新的视角，开创了探索的新方向，开启了一个新的研究项目，并且因此有效的推动了科学探索的前进。
带着这样的标准在心中，在面临过度简化的挑战时，我将建议通往 QCD 的发明的征途始于流代数在 1962 年提出的。在经历三个突破之后：定域流代数总和规则，以及光锥流代数，终结于一个伟大的综合，在 1972 年被声明，是事实上的第一次关于 QCD 的阐述。
145 度规是一个转折点。作为连接 esoteri 流代数-总和规则的工程实验的深度非弹性散射的类型的检测，度规导向的现象学的对澄清核子构成的观察量之间的外部关系的揭示以及它们的动力学构成被观察到的核子现象的基础。实验的期望不再被局限于对现象测量的范围和精确的改进，这种方法所形成的现象是核子的无结构图像，以及理论家们不再局限于他们的预测的确证，从他们的依赖模型的流代数 esoteric 范式或者分析的 S 矩阵理论。
Bjorken 的类点构成不就被费曼和 Bjorken 命名为部分子（Parton）.作为潜在的非具体化的度规场论的基础的裸粒子，部分子没有质量在无限大框架中。被度规约束，部分子也被假定为互相之间有相互作用。因此部分子的行为被认为用一个度规不变自由场论所描述，正如我们所将要看到的多年来的给理论构造施予严格约束到来了。但是有一段的时间，物理学家们非常困惑于用自由场理论计算强相互作用。另外，尽管每个部分子被认为携带着质子的一部分的动量，部分子的动量分布函数，被认为包含着所有强相互作用的全部效应，不能从任何动力学框架内计算出来，而是不得不通过经验去确证。缺乏合适的动力学理论野促使部分子理论家们去对部分子的核子化保持缄默，因此不能说已经提供了核子物理学的完备的图景
对于部分子行为的强子物理学。
尽管存在着这些缺点，度规部分子工程的获得是伟大的。它必然包含了核子的构成图景。更具体得来说，无质量的部分子不久被确认为流夸克。细节上的部分子模型计算也表明存在半非夸克部分子在质子中，并且因此必须让胶子的概念带回到强子图景中，在盖尔曼在 1962年第一次引进的夸克构成模型中不发挥作用，并且需要在接下来的概念发展中发挥着核心的地位。
从历史的图像来看，我们可以说这个工作，通过从揭示外在的结构构成到内部的结构，已经揭示了流代数的潜在的在核子结构的。运用积累的构成的结构知识，诸如类点性、准自由性和夸克胶子半-半比例性，已经铺就了确认它们是什么以及什么样的动力学理论可以去描绘它们的行为。不通过这个工作的获取，不会得到在此方向上的进一步发展。
光锥流代数 部分子模型的自由场理论和模型给予的度规不变性都面临着严格的拷问在重整化波动理论框架中面临挑战，一旦胶子回来而它们与夸克的相互作用被考虑进来。反常的挑战和度规破坏的挑战，被重整化效应所导致当对于理论的对称性而言相互作用是不变的。度规反常改变了流的度规，因此破坏了度规不变性以及经典的等时间对易算符。流代数的基础正在塌缩。整个情况用算符引发的扩散和重整化方程的度规定律重新概念化。这些发展中的其中一个最重要的结果是光锥流代数范式的出现。
对于流代数的失败的反应是，在等时间对易子中形式化的，解决强相互作用的流的短距离行为，诸如度规破坏。K.G.威尔逊 1969 提出一个新的框架，其中算符引发了两个或者更多的定域场或者流在相同点附近的流的乘积的扩散，作为流代数的拓展，被认为不存在，包含单个函数当算符被在相同的点上定义或者一个点的定义是通过光锥上另一个点来实现。光锥场理论的重要性在于事实上承认了更早时候的 OPE 范式的表现，通过 ...