Gross、Wilczek 和 Politzer 因发现渐近自由获 2004 年诺贝尔物理学奖

在量子场论中，渐近自由是某些规范理论的一种性质，它使得粒子之间的相互作用随着能量尺度的增加和相应长度尺度的减小而变弱。

渐近自由是量子色动力学（QCD）的一个特征，QCD是描述夸克和胶子之间强相互作用的量子场论，而夸克和胶子是核物质的基本组成成分。夸克在高能下相互作用较弱，允许进行微扰计算。在低能下，相互作用变强，导致夸克和胶子被禁闭在复合强子内。

QCD的渐近自由由David Gross和Frank Wilczek于1973年发现，[1]同年David Politzer也独立发现了这一现象。[2]因这项工作，三人共同获得了2004年诺贝尔物理学奖。[3]

QCD中的渐近自由由David Gross和Frank Wilczek于1973年发现，[1]同年David Politzer也独立发现了这一现象。[2]同样的现象此前已被观察到（在带电荷矢量场的量子电动力学中，由V.S. Vanyashin和M.V. Terent'ev于1965年发现；[4]在Yang–Mills理论中，由Iosif Khriplovich于1969年[5]和Gerard 't Hooft于1972年[6][7]发现），但其物理意义直到Gross、Wilczek和Politzer的工作才被认识到，该工作获得了2004年诺贝尔物理学奖的认可。[3]

斯坦福线性加速器的实验表明，在质子内部，夸克的行为就好像它们是自由的一样。这是一个巨大的惊喜，因为许多人相信夸克被强相互作用紧密束缚，因此当它们被剧烈加速时，应该会通过强相互作用辐射迅速耗散其运动，就像电子在加速时发射电磁辐射一样。[8]

这一发现在“复兴”量子场论方面起到了关键作用。[7]在1973年之前，许多理论家怀疑场论在根本上是自洽的，因为相互作用在短距离上变得无限强。这种现象通常被称为Landau极点，它定义了一个理论所能描述的最小长度尺度。这个问题是在相互作用标量和旋量场的场论中被发现的，包括量子电动力学（QED），而Lehmann正定性使许多人怀疑这是不可避免的。[9]

渐近自由的理论在短距离上变弱，不存在Landau极点，人们相信这些量子场论在任何长度尺度上都是完全自洽的。

标准模型中的电弱理论不是渐近自由的。因此标准模型中存在Landau极点。当考虑希格斯玻色子时，Landau极点就会带来问题。量子平庸性可用于约束或预测诸如希格斯玻色子质量之类的参数。这在渐近安全情景中导致了可预测的希格斯质量。在其他情景中，相互作用很弱，因此任何不自洽性都出现在比普朗克长度更短的距离上。

物理耦合常数随尺度变化的变化，可以定性地理解为场对携带相关电荷的虚粒子的作用。QED的Landau极点行为（与量子平庸性相关）是真空中的虚带电粒子-反粒子对（如电子-正电子对）屏蔽的结果。在电荷附近，真空发生极化：相反电荷的虚粒子被吸引到电荷处，而同号电荷的虚粒子被排斥。净效应是在任何有限距离上部分抵消场。越靠近中心电荷，真空的效应就越小，有效电荷就越大。

在QCD中，虚夸克-反夸克对也会发生同样的事情；它们倾向于屏蔽色荷。然而，QCD还有一个额外的特点：其传递力的粒子——胶子——本身携带色荷，而且方式不同。每个胶子既携带色荷又携带反色磁矩。真空中虚胶子极化的净效应不是屏蔽场，而是增强场并改变其颜色。这有时被称为反屏蔽（色顺磁性[10]）。越靠近夸克，周围虚胶子的反屏蔽效应就越弱，因此这种效应的贡献将随着距离的减小而削弱有效电荷。

由于虚夸克和虚胶子产生相反的效应，哪种效应占上风取决于夸克的不同种类（即味）的数量。对于具有三种颜色的标准QCD，只要夸克味不超过16种（不单独计算反夸克），反屏蔽就占主导，理论就是渐近自由的。事实上，已知的夸克味只有6种。

渐近自由可以通过计算beta函数来推导，该函数描述了理论耦合常数在重整化群下的变化。对于足够短的距离或大的动量交换（这探测短距离行为，大致是因为量子动量与德布罗意波长之间的反比关系），渐近自由的理论适合使用费曼图进行微扰论计算。因此，这种情况在理论上比此类理论中通常也存在的长距离、强耦合行为更容易处理，后者被认为产生了禁闭。

计算beta函数就是计算对夸克发射或吸收胶子相互作用有贡献的费曼图。本质上，beta函数描述了当系统按 x → b x {\displaystyle x\rightarrow bx} 缩放时耦合常数如何变化。

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）