(节选)

中科院物理所马建平研究员在《2006科学发展报告》发表了一篇题为“量子色动力学研究展望”的文章。

文章首先指出，经过三十多年的科学实践，人类已确立夸克之间的相互作用是由一种非阿贝尔群规范场论所描写，即量子色动力学—Quantum Chromodynamics,简称QCD。而强子之间和原子核之间相互作用也应该从QCD导出。开展对QCD的理论研究和实验研究，将导致我们对各种形态物质的基本构造有最终的理解和认识，并使得我们能够利用QCD对大量的、丰富多彩的强子物理现象，从地球上的核物理现象到早期宇宙的物质形态，从物质微观结构到到宇宙尺度的星系结构有定量的理解和定量的预言，并最终去发现和确立自然界的基本规律。三十多年的科学实践进展，已使强相互作用的研究，尤其是对量子色动力学（QCD）的研究已经形成一个庞大的学科方向或已成为一个单独的学科，即强子物理。但是，在我们面前仍有许多问题甚至是一系列根本问题未能得到解决，如夸克禁闭、强CP破坏、强子结构、手征对称性的自发破缺等等。由于人类在对相对论量子场论QCD的非微扰求解中遇到了巨大困难，及在自然界未发现单独存在的夸克和胶子，使得这一系列问题困扰人类多年，并对最终理解自然及物质结构形成了巨大挑战。

文章重点论述了随着理论研究的不断深入和实验手段的不断进步，可以期待对量子色动力学及物质基本结构的研究在如下几个方面取的新的突破，它们包括：（1）夸克禁闭。一个非常奇特的事实是，组成各种强子的夸克和胶子不能从强子中分离出来，形成自由的夸克和胶子。这就是著名的夸克禁闭难题。人们需要从量子色动力学出发去解释夸克禁闭，这不仅需要大量的理论研究工作，尤其是对量子场论的非微扰技术的研究，而且需要实验上对整个强子谱有全面的了解。（2）强子谱。如何从量子色动力学出发解释这些奇异强子，或预言这些奇异强子性质，已成为量子色动力学研究的一个重要课题。另外，量子色动力学预言的胶球迄今未被发现。实验上，人们正在积极地寻找这些奇异强子和胶球。理论上，各种研究正在很活跃的展开。（3）核子结构。最近的理论研究和实验进展表明，人们有可能建立质子或强子三维结构图象，从而对物资微观结构带来更深刻的理解。这一可能的进展也将会对质子自旋的来源给出解释。（4）原子核结构及相互作用。将来的发展将有可能使的有关原子核结构及核之间的相互作用的现象得到基于夸克和胶子为基本动力学自由度的解释。（5）手征对称性的自发破缺。手征对称性的自发破缺对于轻介子的存在，它们之间已及轻介子和核子之间的相互作用都有着根本的重要作用。但是手征对称性的自发破缺依然没有在量子色动力学的理论框架内得到解释。最近的研究表明，手征对称性的自发破缺极可能与夸克禁闭有着深刻的联系。这需要理论研究和实验探索去进一步验证。（6）格点量子色动力学。最近有关格点手征费米子的理论研究进展以及计算机技术的发展，格点量子色动力学的研究将会提供更可靠的理论结果，以使人们更好地理解量子色动力学及非微扰现象。（7）量子色动力学的精确计算。由于渐进自由的特性，人们可以利用微扰计算从量子色动力学得到理论预言。这对于解释现在所有加速器上的实验结果有着十分重要的意义。对于量子色动力学的精确计算研究不仅是计算技巧的问题，也是对物理现象是否有全面理解的问题。随着研究的不断深入，将会有越来越多的，从量子色动力学得到的理论定量结果去全面解释实验结果。（8）极端条件下的物质结构。在高温高密的条件下，夸克和胶子将会形成等离子状态，既夸克胶子等离子态。实验上，大型加速器如美国的RHIC正在开展大量的研究工作。理论上，急需从量子色动力学得到准确的预言去验证夸克胶子等离子态的存在。这里，需要对有限温度量子场论及非平衡态量子场论的研究。在此方向上，理论和实验的研究工作正在发展，可以期待在不远的将来，对极端条件下的物质结构有突破性的进展。（9）量子色动力学与宇宙。量子色动力学的研究对于研究早期宇宙和高能天体物理是至关重要的。在宇宙形成初期，所有的物质都处在高温状态。这时，夸克和胶子以等离子状态存在。随着宇宙演化，温度下降，夸克和胶子才演化成今天被观察到的核子或强子。而这一演化是宇宙学十分关注的问题，也是只有同过研究量子色动力学才能解答的问题。另外，高温量子色动力学的研究对于理解中子星及超新星的物理性质起着关键作用，因为这些星体物资的状态方程应服从量子色动力学。现在，这些相关的研究方向已成为“热点”，新的研究成果会不断出现。（摘自科学出版社出版的《2006科学发展报告》）