這是一個不錯的問題，涉及到的知識還是很多的。

對於電荷只有正負兩種，就不多說了，初中物理課本上就有，當然，要對這個結果深入的研究，就要用到量子場論的知識了，在本文的最後也會進行簡要說明。

另外需要糾正一個說法，「電荷」是反應電磁相互作用的一種荷，嚴格來說是一種荷，但可以取正值或者負值，也就是對應正電荷或負電荷。而「色荷」是反應強相互作用的荷，一共有三種，分別取名「紅」「綠」「藍」，每一種色荷都可以取正值或負值，也就是正色荷或者負色荷。

而夸克的「味」是用來描述夸克的種類，目前一共發現了六種夸克，也就是六味。

1、味道

首先來看看六味夸克分別是怎麼被發現的。不過在此之前要介紹一下「夸克禁閉」：強相互作用使得夸克不能單獨存在，而只能以正反夸克對（稱之為「介子」）或者三個正/反夸克（稱之為「重子」）的形式存在[1]，這些複合粒子統稱為「強子」。

我們熟知的質子( [公式] )和中子( [公式] )就屬於重子，質子帶正電，中子不帶電，兩者的質量非常接近，在強相互作用中，兩者並沒有明顯地差別，也就是說，如果不考慮電荷帶來的不同，質子和中子很像是一種粒子。我們知道電子是有自旋的，根據自旋在某一個方向的投影，可以把電子分為自旋向上 [公式] 和自旋向下[公式]兩種。這給了人們啟發，仿照著自旋的概念和數學形式，人們認為質子和中子具有「同位旋」，質子是同位旋為[公式]的分量，而中子是同位旋為下[公式]的分量，或者寫成一個向量的形式：

[公式]

這其實就暗示了質子和中子之間有一種對稱性：把質子和中子互換，強相互作用不會發生改變，不僅如此，質子和中子以任意的比例分配（對應一個幺正矩陣乘上上面的向量N），強相互作用也不會發生改變。這就是同位旋對稱性。

除了質子和中子，人們還發現了大量的強子，比如說 [公式] 介子等，這些強子的電荷、質量、自旋等屬性五花八門，這就使人自然地思考，應該還存在更基本的粒子組成這些數量眾多的強子，就跟化學裡的繁雜的化合物是由更基本的元素構成一樣，人們也開始尋找強子的「元素週期表」。仿照著質子和中子之間的同位旋對稱性，人們也尋找到了眾多強子可能存在的對稱性。對於這種對稱性的描述最成功的就是在1964年由默裏·蓋爾曼和喬治·茨威格分別獨立提出的夸克模型。夸克模型認為這些強子是由上夸克、下夸克以及奇異夸克三種基本粒子構成的，夸克是自旋為1/2的費米子，它們的電荷非別為 [公式] 、 [公式] 以及[公式]，也就是說夸克帶分數倍的電荷。比如說，質子是由兩個上夸克和一個下夸克構成的（總電荷為 [公式] ），中子是由一個上夸克和兩個下夸克構成的（總電荷為零）。而此時，質子和中子之間的同位旋對稱性，其實是來自於上夸克和下夸克之間的同位旋對稱性。

質子和中子的夸克構成

為了確認強子的內部結構以及夸克模型是否正確，美國的斯坦福線性加速器中心（SLAC）在1968年做了電子-質子深度非彈性散射實驗，即用高能電子打入質子內部，以觀測質子內部信息。

電子-質子深度非彈性散射。其中k是入射電子，k是末態電子，p為被轟擊的質子，X表示末態粒子集合. 電子與質子的相互作用通過交換一個中間粒子——光子q來產生。

結果顯示，質子內部很有很多比自己小的多的「點狀粒子」，1969年，費曼提出「部分子【parton】」結構假設[2]：核子像一個孤粒子或者口袋，其中包含許多部分子。輕子與核子的深度非彈性散射過程，可以分解成輕子與組成核子的各個部分子之間的散射過程。

【註：電子是輕子的一種，質子和中子也叫核子】

對這個實驗更詳細的分析可以發現，這些部分子是自旋為1/2的費米子，且帶分數電荷，這與夸克模型中假定的三種夸克性質非常像，那麼實驗中發現的部分子就是夸克模型中的夸克嗎？

實際上，部分子模型和夸克模型是一致的。部分子並不完全等同於夸克，但是兩者可以關聯起來，這樣的核子模型成為夸克-部分子模型。夸克模型中核子是由三個夸克構成的：質子為uud，中子為udd，而部分子模型中核子內的部分子數量沒有一定的限制。為了將這兩個模型統一起來，我們可以將核子視為這樣的構成體，即核子中除了顯示其「特性」的夸克uud和udd外，還包括大量處於不斷產生和湮滅中的正反夸克對。其中標誌核子特性的夸克uud和udd被稱為價夸克，而處於不斷產生和湮滅中的正反夸克對成為海夸克，他們處於不斷漲落的「海」中。海夸克是由於量子漲落纔出現的，只有高能電子轟擊質子時才能感受到海夸克的存在。可以認為夸克模型是核子模型的低能圖像，而部分子模型是核子結構的高能圖像。

質子內部結構示意圖

【仔細看一下這幅圖：圖中有的每一個綠色的球都與附近的紫色的球收尾相連，這其實就是一對正反夸克，也就是海夸克；然後還有三個孤零零的紫色小球，這對應著三個價夸克】

定義 [公式] , [公式] , [公式] 等為質子中相應夸克帶有動量為質子動量 [公式] 倍時的數量(密度)， [公式] , [公式] , [公式] 為反夸克的數量。其中 [公式] 為無窮大動量坐標系中夸克攜帶的動量佔質子總動量的分數。因為質子中處於「海」中的夸克正反數量是相等額，所以正夸克的總數減去反夸克的總數應該等於質子中的價夸克數量：

[公式] (質子中兩個u價夸克)

[公式] (質子中一個d價夸克)

[公式] (質子中沒有s價夸克)

質子中每一種夸克所帶動量的平均分數（可以簡單的理解為此種夸克的百分比）

[公式]

[公式]

[公式]

實驗結果給出的在質子中：

[公式] ， [公式]

[公式] 大約為百分之幾，它其它夸克更重，所以佔得比重更小。【註：此處可以看到，u夸克和d夸克的貢獻一共只佔了一半左右，而其它夸克的貢獻又太小而忽略不計，那麼質子中的另一半是什麼呢？答案在本文的後半部分】

到這裡，通過夸克模型、電子-質子深度非彈性散射以及部分子模型，我們就可以比較明確的知道至少存在三味夸克，即上夸克、下夸克以及奇異夸克。這三味夸克的質量比較小，因此一般也稱之為輕味夸克。

重味夸克

1974年12月，美國《物理評論快報》同時刊登了三篇文章，宣佈發現了粲夸克（charm quark）偶素： [公式] 粒子【註：此粒子就是正負cquark對，由於歷史原因，成為[公式] 粒子】。第一篇是丁肇中實驗組的文章[3]，他們宣佈在美國布魯克海文國家實驗室30GeV的加速器上，通過質子打擊鈹靶所產生的正負電子對的有效質量譜【[公式] ，其中X為其它粒子】發現了一個質量為3.1GeV的粒子，取名為J粒子：

丁肇中實驗組的實驗結果，可以看到在橫軸3.1GeV附近有一個尖峯出現，對應著一個粒子

同時，B.Richter等在斯坦福直線加速器中心（SLAC）的正負電子對撞實驗上也發現了一個粒子，並稱之為 [公式] 粒子。 [公式] 粒子的發現給出了粲夸克存在的直接證據。

1977年，L.Lederman領導的小組在費米實驗室的質子加速器上發現了兩個新的長壽命粒子[4]，這兩個粒子實際上都是有一對正反底夸克構成的。

1994年，費米實驗室CDF合作組在質子-反質子對撞機上發現了頂夸克[5]。

粲夸克、頂夸克以及底夸克質量比較大，因此一般把這三種夸克稱為重味夸克。

至此，六味夸克全部被發現，這也構成了粒子物理標準模型中夸克部分：

粒子物理標準模型中的粒子

2、色荷

夸克具有「色荷」或者說「色自由度」，這一點從不同的角度都有體現，其中最直觀的是重子自旋統計關係：存在幾種重子，是由三個相同的夸克構成的，比如說 [公式] 粒子就是由三個s夸克構成。重子的波函數應該有三個部分構成：空間部分、自旋部分以及味道部分。考慮[公式] 粒子中的三個夸克都處在最低能態，因此夸克的空間部分波函數就完全對稱；由於[公式] 粒子自旋為3/2，三個夸克的自旋朝向只能是相同的，因此夸克的自旋部分波函數完全對稱；[公式] 粒子是包含三個相同的s夸克，因此味道部分波函數也對稱。但是[公式] 粒子是費米子，其波函數整體應該是反對稱的，因此就要求夸克還應該有一個新的自由度，以使得[公式] 粒子波函數為反對稱。我們把這個新的自由度就做「色自由度」，夸克具有「色荷」。

那麼夸克的色荷有幾種呢？這可以通過多種不同的實驗來測定，比如說正負電子湮滅過程的R 值測量，其中R的定義為：

[公式]

即正負電子湮滅生成強子的概率比上正負電子湮滅生成 正負[公式] 對的概率【[公式]子與電子類似，帶電，只參與電弱相互作用，不參與強相互作用，但是比電子重】，理論計算給出[6]：

[公式]

其中， [公式] 為色自由度數， [公式] 為夸克電荷數， [公式] 為實驗中能產生的夸克對的種類數。

若假定色荷數等於3，則R值可以在理論上計算出來[6]：

  1. 當對撞能量小於3GeV時，只能產生u、d、s種夸克構成的強子，因此R=2
  2. 當對撞能量大於3GeV但是小於10GeV時，還能產生c夸克構成的強子，因此R=10/3；
  3. 當對撞能量大於10GeV時，b夸克也可以產生，此時R=11/3。

實驗結果則為[7]：

R值實驗結果。橫坐標為對撞能量，縱坐標為R值。三幅圖分別對應著三個不同的對撞能量區間。

上圖中的結果來源於不同的實驗。可以看到，在色荷為3的假定下，實驗數據與理論計算在不同的能去都符合的比較好。除此之外，pi介子到雙光子的衰變也支持色荷等於3.

夸克有三種不同的色荷，這種全新的自由度滿足對稱性 [公式] ，這是一種嚴格的定域規範對稱性，正是在此基礎上，描述強相互作用的理論——量子色動力學——得以發展出來。

1973年，美國科學家格羅斯（David Jonathan Gross，1941- ）、波利茨（Hugh David Politzer，1949- ）、威爾茨克（Frank Wilczek，1951- ）發現SU(3)色規範羣下的非阿貝爾規範羣具有漸進自由的性質，由此建立了描述強相互作用的理論——量子色動力學（QCD，Quantum Chromodynamics）。他們也因此獲得了2004年的諾貝爾物理學獎。

圖8，格羅斯，波利茨，威爾茨克

QCD中有兩類基本的自由度，或者兩類粒子：

  • 夸克，費米子，自旋1/2，也就是夸克模型中的夸克；
  • 膠子，自旋為1，玻色子，是傳遞強相互作用的媒介粒子。

還記得前面質子結構的問題嘛：質子中u夸克和d夸克的貢獻只佔了總貢獻的一半左右，而另一半就是膠子！在一個真實的質子中，夸克和膠子對質子的貢獻都非常貢獻，不可忽略！夸克和膠子的存在，本身也是對夸克具有三種色荷的有力證明。

3、總結

目前為止，除了萬有引力，我們還發現了電磁相互作用、弱相互作用以及強強相互作用，對應的粒子分別具有電荷（一種）、弱荷（兩種）以及色荷（三種）。這三種相互作用都可以用Yang-Mills理論來描述，也就是規範理論，分別對應著U(1)、SU(2)以及SU(3)對稱羣，相應的「荷」的數量就是括弧中的數字。因此對於電磁相互作用來說，不管是實驗上還是理論上，都只有一種荷（可取正負值），當然，也可以理解成，我們把只有一種荷的理論對應到現實中的電磁相互作用。

另外，根據上面的描述也可以看出，粒子的這些性質，往往都是逐步確定的，經歷幾十年也是很正常的，尤其是對夸克模型的建立，不是一個一蹴而就的過程，而是經過很多的實驗，從不同的角度互相印證的。

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參考

  1. ^除此之外，實驗上也發現了多於三個夸克的強子，比如四夸克態、五夸克態等
  2. ^肖振軍，呂才典. 粒子物理學導論
  3. ^https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.33.1404
  4. ^https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.39.252
  5. ^https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.74.2626
  6. ^ab杜東生，楊茂志. 粒子物理導論
  7. ^https://iopscience.iop.org/0954-3899/37/7A/075021/media/rpp2010_1389-1422.pdf

問題一:我覺得電荷只有±兩種類型是常識，不需要舉例吧！由於電磁力本身是長程力，宏微觀具現，相對好研究，目前無論是理論還是實驗都研究得非常通透，留有餘地很少，所以這種常識被翻盤的可能性微乎其微。

問題二:pdg粒子表擁有非常完備的粒子屬性實驗數據，可作為夸克按味分類或者攜帶色的基礎性證據，當然也有利用電磁探針如電子或繆子探測核子內部電磁分佈的，你可以看看這篇文章。

另外我們也可結合粒子的實驗數據，推導出夸克的味跟色，首先質子磁矩常數為2.793約3,說明其內部有三個價夸克,由於強力不顯(類似原子），說明色有三種；比如質子與中子的質量比約為0.9986，差額為0.0014，差額可能是電磁力導致，可以根據靜電勢能來估算，即質子內部靜電勢能=(2/3*-1/3*2+2/3^2)=0,即質子內部靜電勢能為零，中子內部靜電勢能=(2/3*-1/3*2+1/3^2)ke^2/√3r=-√3ke^2/9r,其精細結構比值約為√3/9α=0.0014，質中質量比與精細結構比值近乎一致，當然這只是估算，最精確的關係式如下圖

這證明瞭質中質量差異確實是由於兩者內部靜電力分佈的不同導致的，也證明瞭夸克攜帶兩種不同電荷，即1/3e和2/3e，由於電荷與強力沒啥關聯，這種以電荷不同區分夸克的方式不同於以色區分方式，其實還有以質量不同來區分夸克的，我們以質量或者電荷(與強力無關）來區分夸克的方式，統稱為以味區分，實際上夸克按質量區分是6種，進一步按±電荷區分，為12種，再一步區按色區分，則為36種！這36種夸克完美構建了目前已發現的幾百種強子和介子。

電荷並非正負兩種。還有0電荷，還有分數電荷，種類多了去了。

uuu，ddd和泡利不相容原理要求每種看起來相同的夸克有3種不同狀態。

高中物理 因為自然界中沒有與正負兩種電荷都吸引或都排斥的電荷，這表明電荷只有正負兩種。

記得夸克模型是靠羣論搞出來的，有重子八重態和重子十重態模型，還是很漂亮的。

思想空間和自然空間的現象原理模型的感覺時間統一的輸入輸出思路電路大腦和電腦（證明過程請研究《大自然的正反規律》吧）

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