摘要： 物质微观世界是由粒子所构成，粒子物理在上一世纪 60 年代以来取得的重大进展是建立了粒子物理的标准模型。 目前为止，它被几乎所有的精确的加速器实验结果所支持。标准模型概括了物质世界是由 61 种或62种微小的粒子构成，它们之间的原始相互作用有 4 种。观察到的物体都是由原子核和电子组成的各种原子构成，原子核又是由质子和中子组成。电子就是一个带负电的粒子，质子和中子属于“强子”，都是由多个现在称为“夸克”(quark)的粒子组成的复合体。夸克和反夸克是构成物质的最小组元，但是单个的夸克或反夸克不能独立地自由存在，他们都是以构成强子的组成粒子的形式存在。所有的物质粒子之间都有“引力相互作用”，各种粒子分别还可以参与“电磁相互作用”、“弱相互作用”、“强相互作用”。
引力相互作用是一种最弱的长程相互作用，精确的理论描述是广义相对论，物质间的引力相互作用在大范围内决定了宇宙的形成和演化。如果引力相互作用也是通过交换媒介粒子来实现的，则引力相互作用的媒介粒子是“引力子”，是现在还没有证实其存在的第 62 种粒子。
对于电磁相互作用，物理学研究得很清楚。微观粒子之间的电磁相互作用是通过被称为“电磁场”的规范场来实现的，带电粒子能够吸收和放出“光子”。光子是电磁场的媒介粒子，带电粒子之间不断交换光子就是带电粒子之间的基本的电磁相互作用过程。带电粒子参与电磁相互作用的强度正比于带电粒子的电荷。但是由于带电粒子使周围的真空极化，对粒子的电荷有屏蔽作用，导致观察到的粒子电荷的有效值是被屏蔽后的结果。在量子电动力学中，由于真空极化的屏蔽作用，使电子的有效电荷随着对电子距离减小而变大。这说明如果通过高能碰撞来观测带电粒子的有效电荷，能量越高，则接近的距离就越近，测得的粒子的有效电荷也就越大。原子物理中常遇到的“精细结构常数”实际是在能量的改变接近零时确定的值

如果能量的改变到了一种很重的粒子——W粒子的静止质量m_W=80.425GeV对应的能量的数量级的时候，精细结构常数的有效值就逐渐增加到

规范场论理论的普遍研究给出，如果一种相互作用是由某种规范场来实现的，则这种相互作用的“有效耦合常数”随着能量的变化行为与这种相互作用的所谓“β函数”的取值有关系。如果β函数是正的，则“有效耦合常数”随着能量的增加而增加，电磁相互作用就是这种情形。如果一种相互作用是由某种阿贝尔群规范场来实现的，则这种相互作用的β函数总是正的，这个结论是普遍的。对于研究微观粒子参与的其他相互作用的性质也有重要意义。
对于弱相互作用，1957 年确立“在弱相互作用过程中宇称可以不守恒”后，1958 年建立的“普适费米弱相互作用理论”只适用于能量比较低的范围，到能量比较高的时候就要用“电弱统一规范理论”来描写。1961年，S.Glashow(格拉肖)提出了“SU(2) XU(1)电弱统一模型”，1967～1968 年S.Weinberg(温伯格)和A.Salam(萨拉姆)把这个理论建立在规范场理论的基础上，并引入了对称性自发破缺的“Higgs”机理，使这个理论发展完善。1971 年和 1972 年G.’t Hooft( 霍夫特)和M.Veltman(韦尔特曼)等人证明了这个规范理论是可重正化的。一个包括轻子和夸克的电弱统一的规范理论形成并建立起来。
强相互作用是远比电磁相互作用和弱相互作用要强得多的相互作用，一切强子都可以参与强相互作用。夸克和反夸克通过称为“色相互作用”(color interaction)的强相互作用结合成强子，色相互作用也是一种规范相互作用。色相互作用的媒介粒子是“胶子”，夸克的色相互作用耦合常数是夸克所带的“色荷”，带有色荷的粒子能够吸收和放出胶子。
1967年美国斯坦福线性加速器中心用高能量的电子去撞击质子，电子在深度非弹性散射过程中被质子散射掉。1968年得到一个可以检测的求和规则。J.Bjorken(比约肯)研究了当动量趋于无穷大时这个结果的推广，证明了反应截面并不分别依赖于能量丢失(v=E－E’)和动量转移平方(q²)，而是只依赖于无量纲的变数x=q²/2Mv。这个现象称为“标度无关性”，并被发现满足斯坦福线性加速器中心的实验。
标度无关性的实验检验给物理学界带来了巨大的撞击，问题是要来理解为什么一个色相互作用的物理理论能够给出标度无关性。1970 年K.Symanzik(希曼戚克)论证了只有一个相互作用理论具有负的所谓的β函数能够给出无标度性；新的词“渐近自由”(asymptotic freedom)就是为这类理论所撰造的。规范场论的普遍研究给出耦合强度的渐近行为惟一地由 β 函数所决定。
那么色相互作用是一种什么相互作用呢？如果色相互作用是由某种阿贝尔群规范场来实现的，则这种色规范相互作用的β函数总是正的，这就无法理解实验中观测到的无标度性的来源，同时这种规范相互作用的有效耦合常数随着对粒子距离减小而变大，这个结论是普遍的。1973 年春季D.Gross(戴维·格罗斯)，F.Wilczek(弗兰克·维尔切克)和D.Politzer(戴维·波利策)在《物理评论》快报上发表两篇连贯的理论论文中报告了精确的结果，他们都得到了一个负值的β函数，两个组都实现了这个给物理学界带来巨大风暴的结论。他们建议一个强相互作用的量子场论，一个以夸克为基础的SU(3)非阿贝尔群规范场论，这个规范场以无质量的矢量粒子——胶子作为色相互作用的媒介粒子。
为什么色相互作用会有渐近自由的性质？这是因为夸克带有色荷，由于带色荷的夸克使周围的真空色极化，对夸克的色荷有屏蔽作用，导致观察到的夸克色荷的有效值是被屏蔽后的结果。但是色相互作用规范场的媒介粒子——胶子本身也带有色荷，也可以放出或吸收胶子。夸克周围的真空色极化中还要包括胶子的贡献，规范场粒子——胶子的自作用能够产生相反的效果，使得放在真空中的色荷能够吸引真空中产生的规范粒子，在它的周围聚集相同的色荷，造成反屏蔽的效应。在自然界存在的夸克的“味”的数目不超过 16 种时，真空中胶子分布所产生的反屏蔽效应超过了夸克对产生的屏蔽效应。在这种情况下量子色动力学有所谓渐近自由的性质，即：随着时空距离的变小，相互作用变弱，有效耦合常数随距离减小而趋于零。
30年来，世界上各大高能物理实验室做了大量的实验，测量不同能量下色相互作用有效耦合常数的值，证实它确实是随能量的增加而减少。下图中横轴是实验中的质心系能量值，纵轴是该能量下色相互作用耦合常数的有效值，曲线是量子色动力学理论计算的预言曲线。实验和理论计算很好地符合，色相互作用的渐近自由性质得到了精确的检验。

瑞典皇家科学院10月5日宣布，将2004年诺贝尔物理学奖授予戴维·格罗斯、戴维·波利策和弗兰克·维尔切克，以表彰他们“发现强相互作用理论中的渐近自由”，即对量子场中夸克渐近自由过程中的开创性发现。 *高崇寿教授是物理学名词审定委员会委员。