▲諾貝爾物理獎得主：葛羅斯(David J. Gross)(歐新社) ▲諾貝爾物理獎得主：衛契克( Frank Wilczek)(歐新社) ▲諾貝爾物理獎得主：包利澤(H. David Politzer)(歐新社)

　今年的諾貝爾物理獎頒給了葛羅斯(David J. Gross)、衛契克( Frank Wilczek)及包利澤(H. David Politzer)三人。31年前，他們發現了楊振寧與米爾斯(以下簡稱楊-米)於1954年提出的楊-米場論的一個特性，從而得到了正確的基本強作用理論。

　其實，今年並不是第一次有人因強作用理論而得諾貝爾獎。1949年日本的湯川秀樹就以他在1935年還是研究生時提出的強作用的介子理論而獲獎。強作用為什麼會有兩個「對」的理論而且都值得獲諾貝爾獎？

湯川秀樹因π介子理論獲獎

　在古典的電磁理論中，靜電荷的交互作用是透過電場，用量子的語言，就是兩個電荷間交換一個能量是零但帶有動量的光子。湯川秀樹據此假設核子(即質子與中子的通稱)間的強作用力，是由於兩個核子間交換一個π介子。為了使核子間祇有引力，沒有斥力，介子與光子不同，是沒有自旋的。而因強作用力祇在很短的距離(差不多是一個飛米，即百萬分之一個奈米內)發生，與電磁力的長距離作用不同，π介子必須有質量的。湯川秀樹估計介子的質量大約是電子的兩百倍。

　在計算核子間距離小於一個飛米時的強作用力，需要考慮量子效應，也就是核子在交換介子外也可以吸收自己發出的另一個介子，也就是多於兩個介子參與的核作用過程。在π介子理論中，兩個π介子的過程，其發生的機會比交換一個π介子的過程還大，因此我們必須考慮任意多的π介子參與的過程，使得核力的計算幾乎不可能。

楊-米的大發現

　雖然湯川秀樹因π介子理論而獲諾貝爾獎，許多物理學家並沒有放棄尋找新的核作用理論。楊-米就考慮核子間交換的不是沒有自旋的介子而是和光子一樣自旋是1的粒子，估且稱之為V粒子。因為核子有質子和中子兩種狀態，V粒子至少要有三種。質子變成中子時，放出的是帶正電的V+；中子變成質子時，放出的是帶負電的V－；質子與中子都可以放出中性的V0而不改變它們的電性。自旋1的粒子有三個偏極化態，兩個是橫波一個是縱波。楊-米的大發現就是如果和光子一樣要求V粒子祇有橫波出現，則V+,V－,V0間要有相互作用，例如V +與V－間可以交換一個V0，而且這發生的機會和核子間交換一個V粒子是一樣的。假定核子有三個狀態而不是祇有兩個，則V粒子就會由三種增加到八種。在電磁理論中，兩個光子間是不會交換一個光子的。楊-米場論把電磁作用，推廣到核子有兩個以上狀態時交換V粒子的作用。在楊振寧演講介紹他的新發現時，包立當場指出如果V粒子像光子一樣祇有橫波，則和光子一樣它的質量也必須為零，這時就如同電磁作用，V粒子媒介的作用也是長距離的。實驗上並沒有發現核子間有長距離的作用力。包立的問題當時讓楊振寧下不了台。這個問題的解決，也就是葛羅斯等人今年獲獎的理由。

預測新粒子的存在

▲正反電子消滅後，能量凝聚成夸克及反夸克對，其中一個夸克有機會放出一個膠子。實驗可量測夸克放出膠子的機會，以驗證葛羅斯等人的理論。（圖中e-：電子，e+：反電子，q：夸克，q：反夸克，g：膠子）

　1950年代，柏克萊及其他地方的加速器實驗室發現了許多新的「基本粒子」，顯示這些粒子可能不是最基本的。科學家們開始看出這些粒子間的規律性。葛爾曼首先提出這些粒子都是由上夸克、下夸克及奇夸克三種「味道」的夸克組成，他可以據此將已知的粒子及它們間的狀態變化分類，並預測新的粒子的存在及其質量，而丁肇中發現了第四種「味道」的魅夸克。1968年史丹福線性加速器中心用高能量的電子去撞擊氫靶，證實了核子內有更基本的粒子。葛爾曼在1969年獲得諾貝爾獎，而主持這項實驗的富立曼、肯道及泰勒三人則獲得199 0年物理諾貝爾獎。早在1960年代，包括費曼等人分析強作用粒子的規律性時就指出夸克不能祇有「味道」，每一種味道的夸克，都還要有三種「顏色」，稱為紅、綠、藍。所有直接觀測到的強作用粒子都是沒有顏色的。例如在葛爾曼的排序中，質子是由兩個上夸克及一個下夸克組成的，這三個夸克的顏色分別為紅、綠、藍，它們適當的疊加，使得核子在一個飛米以外的距離觀測時，看起來是無色的。如果鑑別率小到一個飛米以下，就可以看到個別的夸克，感受到顏色變化所產生的力。

兩個夸克距離接近時作用力減弱至零

　核子既然含有更基本的夸克，核子間在距離小於一個飛米時的作用力，就不適合用交換π介子的湯川理論來描述。葛羅斯、衛契克和包利澤提出了將楊-米理論用在夸克上。夸克有三種顏色的狀態，當顏色變化時，它會放出膠子。膠子共有八種，兩個夸克間的強作用源自於它們交換一個膠子。膠子祇有橫波，所以根據楊-米場論兩個膠子間也會交換一個膠子而發生作用，發生這個作用的機會與兩個夸克間交換一個膠子一樣大。膠子會相互作用，表示它們也有顏色，每一種膠子都是複合色，例如紅色的夸克可以放出一個紅-反綠色的膠子而變成一個綠色的夸克。反綠色是綠色的互補色，它們疊加後就沒有顏色。但是當年包立質問楊振寧的問題要如何解決呢？核子雖然包含有顏色的夸克，但在一個飛米以上的距離，就看不到顏色。有顏色的基本粒子都被禁閉在一個飛米的範圍內。膠子也有顏色，所以它們雖然沒有質量，也可能被禁閉在一個飛米的範圍內。如果能解釋「顏色」被禁閉的現象，就可以回答包立「為甚麼沒有長距離作用力」的問題。葛羅斯等人的新發現，就是夸克間交換一個膠子的作用，會隨著兩個夸克間的距離變小而減弱，當它們非常靠近時，作用力幾乎就消失了。這和電磁作用、π介子的理論及其他物理學家研究過的理論模型都相反！每個人都知道，兩個電荷越靠近，它們間的作用力越大。楊 -米場論的秘密就是由於膠子間的相互作用，使得量子效應在兩個夸克或兩個膠子距離很近時反而可以忽略，而在它們間的距離變大時，量子效應越來越重要。相反的，在湯川的π介子理論中，兩個核子間的距離大於一個飛米時，量子效應可以忽略，當距離小於一個飛米時，量子效應變得重要。

　1980年代在德國同步輻射中心進行的正反電子對撞實驗找到了膠子。在這個實驗中，正反電子消滅後能量凝聚成夸克及反夸克對，其中一個夸克有機會放出一個膠子。實驗不祇可搜尋膠子，同時可量測夸克放出膠子的機會，以驗證葛羅斯等人的理論。這些及後續許多90年代的實驗，證實了兩個夸克在距離很近時作用力減弱至零的預測。