近20年来，量子色动力学在解释核子的第四种力时，一直占据统治地位，尽管至今它还不能被证明，但还没有遇到有力的对手。
差不多20年前，M · 盖曼就提出了粒子物理理论中的一个新名称量子色动力学（Quantum Chromodynamics，简称QCD，下同），今天它仍是解释自然界已知第四种力——一种将原子核结合在一起的强核力——的唯一的强有力的竞争者。然而作为现代物理基石的地位来讲，QCD的详情还没有完成。实际上理论物理学家还不知道如何证明QCD是强核力的正确理论，不过实验物理学家一直在检验这个理论，通过对撞法把粒子结合在一起，并根据QCD的计算来比较其结果。那么自从该理论提出至今的20多年来，QCD是怎样从一些新的实验，新的加速器和最新的超级计算机来验证这些结果的呢？
根据QCD，质子、中子和其他许多粒子本身不是最基本的，而是由更基础的称之为夸克的成分组成的。夸克通过带有强核力作用的称之为胶子的一种无质量的子相互作用（自然界中的其他三种力为重力、电磁力和控制放射性衰变的弱核力）。研究QCD如何工作的一个最重要方法就是进入到原子核的内部，为此需要能够分辨出比原子核直径还要小的对象即10-15米范围的“显微镜”，而能做此项工作的唯一的一种“显微镜”，就是粒子加速器。
德国北部汉堡街道正下方的一个6.3公里的隧道中横卧着一个强子电子环加速器（简称HERA）。在HERA，科学家们有一个比他们曾经有过的“显微镜”还强10倍的“显微镜”，科学家用它能够探索到比质子还小的范围，即10-17米。自从1年前HERA正式启用以来，在沿着导管的一个方向已加速了带正电荷的质子，而在另外方向，沿着不同导管加速了带负电荷的电子，在2/3处二束粒子流相撞。实验者已建立了巨大的监测器来检验电子-质子相互对撞后所生成的产物。它是第一台能以反旋转方法相撞不同粒子束的加速器。
在HERA的高能对撞中，电子并不和整个质子相撞，而是和质子的组成——夸克和胶子——相撞。因为HERA看到了夸克和胶子彼此相互作用，它的数据不仅仅是对质子结构模型，而且也是对QCD的一种严格检验。正如粒子物理学家所预计的，在HERA实验的早期结果中，电子深深地探索到质子的内部，并粉碎了它，这可以认为在质子的深处，夸克的浓度是高的。这也告诉了他们，夸克和胶子组成质子的方式。如果能积累更多的数据，将会帮助粒子物理学家，在质子的夸克和胶子相互矛盾的模型之间作出决定，即使试验计算是一种最简单的QCD模型。
有争议的数据
迄今为止，强核力强度的一些最佳测量是在CERN的大电子-正电子对撞机（LEP）上获得的。例如今年6月（指1993年，译者注），一个由53个研究所大约570个实验工作者组成的DELPHI协作组发表了一套数值，包括通过“底夸克”感受到的强核力的强度，“底夸克”是已鉴定的5种夸克中的第5个，为了得到这个数值，他们分析了在LEP做的356000次电子-正电子对撞中所产生的散射角和碎片的量，其数值和位于加州斯坦福直线加速器中心SLD协作组（涉及34个研究所257位工作人员）所进行的类似实验及分析结果相符。
但是当用QCD的特殊相互作用的计算来比较其真实性时，并非所有实验和预期的相符。4月，CERN的自旋μ介子协作组（Spin Muon Collaboration，简称SMC）发表了关于中子自旋的有争议的数据，数据表明夸克对中子的自旋没有起更多作用。已知中子是由夸克组成的，但这并不是理论物理学家所期望的，有趣的是CERN的欧洲μ-介子协作小组在1988年就报道过关于质子的类似的有争议结果。
CERN的最新一次实验同时也是第一次检验认为，在质子的自旋夸克和中子的自旋夸克之间存在着一种基本关系，这种关系是由QCD用同一种方法支配的。但是8月发表的在SLAC几乎同时进行的、由一个美-法研究小组做的实验结果却不同意SMC的关于两种计算的结果。他们发现正如预料的夸克提供了大约50%的自旋，但是这并没有支持早就确立的基本关系。
理论物理学家现在正在艰苦工作，以构思出新的思想来解释这种差别，而实验物理学家则继续在CERN和SLAC进行实验。研究者们正期望一种称之为Hermes的新的检出器，它将建在HERA、用作研究质子的自旋，他们希望这个检出器有助于解决“自旋危机。”
与此同时，其他的研究者们正在采用不同方法，有些研究小组用计算机模拟来证明QCD的特性在高能加速器实验中是难以实现的或甚至是不可能的。其中有两种方法受到称赞，因为这些计算机实验正在检查在高能对撞中，不同能量的对撞是怎样控制实验的，但是显然结果离要求还很远。
几个月前，位于约克郡IBM的Waston研究中心的DWeingarten，宣布，他已计算出一套8个粒子的质量，包括质子和中子，并且同用实验测得的质量符合得很好。这个消息令人高兴，因为QCD的计算机模拟就打算直接用QCD的规则来计算夸克相互之间作用的行为。像质子或中子-类粒子正好是夸克相互作用的一组。如果这些粒子的质量——或至少是它们质量的比值——能用计算机实验计算出来，并和实际测的值相符，这意味着QCD方程是具有一套完整的规则。
但是哥伦比亚大学的N · Christ已经对某些粒子作了更详细的计算，其中包括被Weingarten忽略了的QCD的某些内容，不过和实验符合得不是非常好。去年日本筑波大学的受川和同事们也做了类似的计算。
QCD是从类似于现在正在HERA所从事的经典实验，和从物理学家们设计制作的数量庞大的“基本粒子”分类图表中提炼出来的，1964年Y · Ne'eman，M · Gell-Mann，和G · Zweig根据3个虚构出来的称为“夸克”的实体设计了一个对称的图解表，“夸克"这个名字是盖尔曼取的，取之于J · Joyce《Finnegan的觉醒》一书。为使夸克的组合正好和设计出的其他所需成分相配匹，又引入了称为“色”的量子数，即3种可能的标设：红、绿和蓝。
接着，60年代后期，SLAC的实验物理学家用质子轰击出一束电子，对他们的结果可以认为质子中含有来自反弹电子的“硬块”，这一想法被J · Bjorken采用，1967年他提出这些小块显然是分不清大小的像点一样的物体。Bjorken同时引入了一个特殊量，以能量和动量来表述，表明了能证明这种效应的确在SLAC的实验中被证实。
费曼（R · Feynman）也接受了质子中存在硬块的思想。在他的模型中，质子是由更小的实体，称为“部分子”（Partron）的成分组成的。1973年出现了实验证据，至少有些费曼的“部分子”能够用盖尔曼的夸克来检定，其中每一个均带有奇异的“色”量子数，而理论物理学家也引进了胶子是夸克之间强核力的载体这一概念，在那一时期，QCD已基本建立了。
最重要一篇文献是1973年11月26日出版的，发表在物理通讯（Physics Letters）上的论文，在那篇题为“带色八重态胶子图像进展”的文章中，H · Fritysch、M. Gell-Mann和H · Leutwyler介绍了8种不同的胶子，无一个是在物理学上能观察的粒子，并且它们的性质也受强核力工作方式的基本模式所控制的，这样的模式或对称性，非常清楚地显示了这种思想的数学含义，即是QCD。
为了得到QCD是怎样工作的原理，不妨可以把QCD和电磁理论相比较，电荷有两个变量正和负，同性电荷相斥，异性电荷相吸。在原子世界中，如电子-类带电荷的粒子是通过电磁力——一种无电荷无质量的称为光子的粒子一一相互作用的。整个原子是中性的，即每一个是由带负电的电子围绕着带正电荷的核旋转。在QCD中，不是2个而是有6个“荷值”，即三种颜色，“红、绿和蓝”，同与此相对应的“反颜色”。夸克带有“颜色”*如同电子带有电荷一样，这种“颜色”是夸克之间强核力的源泉，而这些力是由无质量的胶子传递的。
但是这里有一个最根本的区别，即光子是不带任何电荷的，而胶子确带有颜色，所以胶子能以在磁场中完全不同的方式相互起作用。另一个最主要的差别在于，QCD假设单色粒子不允许以自由体存在，带色粒子只能以特殊的组合方式才能存在。因为作为一个单独的夸克或胶子已带有确定的颜色，实际上可以说，自由夸克和胶子永远不能被“看到”，它们必须与更大的复合的粒子束缚在一起，永远被“禁闭”。
相反在电磁理论中 · 如电子-类粒子，以简单的电荷存在。在电磁理论中，对“禁闭”的最接近的相似就是原子是中性的，但是原子能够被打碎，看到电子和带正电荷的核。按照QCD理论，这些核子块就不能被打碎，以进一步直截了当地看到内部带色的碎片。
1973年另外一件有意义的事情也纳入到QCD的七巧板中，普林斯顿的D · Gross和F · Wilcyek证明了全部QCD理论都有一种称之为“接近自由"的性质，简而言之就是说，当夸克之间结合得很牢固时，夸克之间的力是很小的，但当要把夸克分开时，则它们之间的力会变得越来越大。所以若用非常高的能量来探索夸克时，它们显示出像一个自由粒子，这对理论物理学家来讲是有利的，这意味着他们作计算时 · 对自由粒子能以最小的干扰或扰乱来近似对夸克的真正影响。数学家和理论物理学家经常使用这种技巧来得到一种近似的回答，因为无人知道怎样获得正确的答案。而对于电磁场的量子理论，可以说，它工作得非常好。
没有这样小
但是有时候“微扰”毕竟不小。理论物理学家考虑用非系统方法来作计算，发生这种问题时称为非扰乱，而QCD却被搞乱了。可以想象就在一条高低不平的路上开着汽车上山。汽车就是自由粒子，而高低不平就是干扰，这种情况下能很容易地描述汽车的运动。但当高低不平的道路占了山路的一半甚至更多时，你就会以完全不同的术语来描述汽车的运动了。同样在夸克之间的散射实验中，涉及的是高能，用QCD计算来研究微扰技术工作非常成功。但当夸克完全在质子内部被碾磨时，并且能量低时，微扰技术就无效了，因为微扰就相形见绌，它们意味着干扰。
遗憾的是不少科学家非常喜欢所作的计算是在这种无干扰阶段。一些重要的例子包括：计算由夸克组成的粒子质量，证明夸克和胶子实际上是被禁闭的。物理学家在QCD的早期阶段就全部知道上述情况。20年来有成功，也存在一些问题。
在一些成功的例子中，包括已被证明的质子的夸克-胶子模型实验，或QCD计算的预测能力比喷射流观察更生动。80年代初，CERN的实验物理学家们已看到了质子-反质子对撞中的对撞产物出现两个松散的射流，或来自对撞点的背对背粒子的喷射流，不是所有方向上简单的搞乱的粒子。
理论物理学家用来自质子的夸克撞击了来自反质子的夸克作解释。以一个方向射出的夸克会变成一个喷射流，而另一个以相反方向射出的夸克会变成第二个喷射流，其余的质子和反质子继续以同一方法喷出，那么两个夸克这种对撞的喷射会发生在什么地方？如果存在禁闭，就像理论物理学家希望有一天会用QCD来证明的话，就不会允许以自由粒子形式出现的夸克或胶子。相反，从对撞中出现的自由夸克或胶子本身以某种方式转变或本身也是由夸克和胶子组成的一群粒子，这就是所观察到的现象，但是如何计算夸克或胶子转变成一群粒子则非常困难，因为它是一个非扰动问题的典型例子，即最近一直困惑许多理论物理学家的问题。
已知最佳的某些喷流实验是在DESY的PETRA电子-正电子对撞机做的，它是HERAS德国国内的实验室。为了生产一个喷射，电子和正电子必须互相对撞，互相湮灭，产生某些中间粒子，然后衰变成夸克或反夸克，即两个喷射流的前体。三个喷射流可用以下原因来解释，由于生成的夸克之一喷射出一个胶子，它又马上变成一个喷射流。QCD认为两个和三个喷射事件应该和某一个特定的方式相联系，即两喷射事件和三喷射事件发生数目的比率应受到强核力的“强度常数”所控制，这就是实验所观察到的现象。
其次，因为夸克和胶子是有不同自旋的不同种类的粒子，按照QCD的计算，应该能在它们的喷射流中注意到它们的差别，这是一个非常匹配的实验。四喷射流事件反映了胶子之间的直接相互作用。如果理论是正确的话，QCD的基本性质一定会通过实验而观察到。CERN在过去的几年中已经收集了所谓三胶子极点的证据，并在今年早些时候得到了证实，正如现在已很平常地在HERA · LEP和其他地方所观察的。
QCD的另一个结论是胶子-胶子相互作用意味着是真实的，可观察的粒子应该存在，并且不是由其他的而是由胶子组成的，这种现象不仅更加支持了理论，而且它们一点不像其他粒子，可是还没有证据说明这些“胶球"存在，尽管有许多实验在继续搜寻它们。
物理学家在描述质子中夸克能量的散射时用了“动量分量”这一术语，质子动量的贡献完全是由夸克来完成的。按传统方法动量分量可用轰击的电子（或介子，甚至中微子）进入到被破坏的质子中来测量，这种实验称为深度非弹性散射。SLAC的早期实验就是这种类型的实验。由于深度非弹性散射已怀疑到夸克的存在，但是理论物理学家正忙于设计出修订过的QCD模型来解释这些结果，HERA会提供更多的数据。
但是QCD还存在一些缺陷，正如温伯格（S. Weinberg）所阐说的“还没有一人在计算（中子或质子）的特性上是成功的……即直接用QCD的基本方程，这是一个令人困惑的问题，但正在受到各种方法上的突破……我估计速度是慢的，但是正逐渐趋于成功，盖尔曼同意这个观点，在最近的一篇短文中，他也说QCD的数学结论至今尚无适当地被提取出来，尽管我们大多数人相信，强子现象是一种正确的理论，而要真正有力的证明还需要做更多的工作。”
四维空间
其他研究者们声称，攻克这个问题最坚实方法是用计算机模拟。QCD是一个在持续空间和时间中存在的量，若把它们放在计算机中，意味着用隔离的栅格或点阵以四维空间来代替空间和时间。这样一种点阵QCD方法就如同用计算机把工程师的设计模式方法扩展到桥、道路和汽车。
把夸克放在点阵中，点阵点之间的联系是胶子，而计算机能对胶子和夸克作随机的安排，用基本的QCD方法来控制不同的几率，对每种构型计算感兴趣的量，最终结果是所有可能排列情况的平均值。
点阵QCD已经为QCD的禁闭提供了证据，1979年由K · Wilson和M · Creuty所作的计算模式中，已指出夸克-夸克相互作用的能量随夸克之间距离的增加而成比例增加。这种行为有时候你也会在禁闭中预料到。简单地说你越是想把两个夸克拉开，他们结合在一起的力就越强。
欲对计算的粒子质量给出物理意义上的真正结果，每一个四维点阵应有超过16个点阵点——即全部为65000个点阵点。点阵空间大约需要质子直径的1/10。模拟一次粒子质量也许需要作大约1017的算术运算，碰到这种挑战，需要极其巨大的计算能力。定制的计算机性能要比现有的机器性能好，QCD点阵计算要充分利用高性能平行的超级计算机的功能，这种计算机包括许多个全部为一个问题工作的单信息处理机。事实上点阵QCD是对超级计算能力的一个“巨大挑战”。
功能最强的QCD计算机是哥伦比亚大学系统，实际上客观存在包括有256个单个计算机或“交叉点”，最高速度达160亿次（即每秒作10亿次的点运算），而IBM研究所的GF11计算机有512个“交叉点”，最高速度达200亿次，相当于10万个或更多的个人计算机。其他一些功能强大的QCD计算机包括爱丁堡大学的Meiko计划，美国费米实验室的ACPMAPS，还有正在建造的新机器包括计划在1996年完工的麻省理工学院的美国“万亿”级计算机。
研究人员同时也在稳步地研制作点阵计算的最佳方法。最困难的问题也是点阵QCD中迄今为止最基本的问题——如何把夸克禁闭在真实的道路——是1987年被印第安那大学的S · Gottlibb和他的同事解决的，其他许多挑战是在点阵上完成真正的QCD，例如有限点阵大小的影响，引进夸克的质量。如果点阵太小，实际上夸克太接近点阵和边缘，这样会使结果产生误差，因为对真正的质子没有相应的边界，同样没有人看到一个自由夸克能够测量它的质量，但是计算含有夸克的粒子的质量又意味着给夸克赋予数值。但是还有一个表示所有在点阵中存在的光滑真实世界对称性的难以解决的问题。
哥伦比亚小组的其他成员也用点阵QCD来探索物质的新状态。根据计算机的计算结果，高温下QCD使“禁闭”现象停止，取而代之是存在夸克-胶子等离子体。按照这种观点，这种夸克-胶子等离子体应该在宇宙的大爆炸发生后开始的几个微秒中存在。这种物质状态正在布鲁克海文和CERN的重离子对撞机上期望着能出现。
那么QCD真正是强核力的理论吗？这是一个能获诺贝尔奖的问题。大量的实验已产生结果，并和QCD的预测相一致，有明显的证据证明夸克和胶子是强相互作用粒子如质子的一种成分，虽然QCD还没有单独被证明，但是QCD的某些必要条件，像胶子-胶子的相互作用，不同夸克所产生力的强度已搞清楚，甚至渗透到不同深度时强核力强度的变化也已发现并和预计的相一致。
温伯格是粒子物理学家中最有信心的一位，他有下述一段名言“对QCD是强相互作用的正确理论，无须作更多怀疑”，他说“这部分是因为在QCD的内容中凡是能检验的已通过每次检验，例如高能电子-正电子湮灭变成喷射过程等。尽管QCD要被理论物理学家广泛接受还需要做许多更精确的实验，因为这需要从强相互作用的对称性感觉中走出来，这已从观察到的现象中猜到了。”
在粒子物理上没有完整无缺的理论。即使是温伯格-萨拉姆的弱核力模型，尽管它在预测W和Z粒子上获得巨大成功，但也存在一个主要的没有解决的问题一发现称为Higgs的粒子。一个更大的规则是企图统一强核力和弱核力，即预测正等待被发现的第6种夸克-顶夸克。虽然Higgs粒子和强核力无关，所以和QCD没有关系，而顶夸克是一定存在的，在它被观察到之前，理论物理学家仅仅在他们所作的计算中能猜测到它的大致情况会如何。
关键问题是“被禁闭现象”——还没有被完全证明，尽管从点阵QCD研究中已出现了一些征兆——一个整体非干扰问题，对理论来讲还缺乏决定性的实验检验。新的加速器，强有力的计算机和聪明的理论物理学家会写下更多的篇章，但是没有一个人能真正地说，什么时候QCD的故事会结束。
[New Scientist，1993年12月4日]