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質子是個球,里面有三個夸克?事實遠不止于此
2023/04/05

在很多人的認知中,微觀世界就是由一個個的「球」所組成的。

原子是個球,它的中心是原子核,周圍環繞著電子。在原子核內有兩個東西,一個是質子,一個是中子,質子是一個球,中子也是一個球,而在質子這個球中住著三個東西,兩個上夸克和一個下夸克。這種認知并沒有錯,因為高中物理老師就是如此向我們描述的,這種描述讓紛繁復雜的微觀世界變得直觀而簡單,使我們更容易理解,但簡單也有后遺癥,那就是失真,而真實的微觀世界比我們所知的復雜得多,質子并不是一個球,里面也不止三個夸克。

質子由三個夸克組成,這種說法最早來自于物理學家蓋爾曼和茨威格在1964年所提出的假設,而這個假設不久之后就得到了證實。

1967年,斯坦福直線加速器中心的研究人員通過發射電子來轟擊質子,結果發現電子會從質子的類點碎片反彈回來,而這個「類點碎片」 實際上就是夸克。之后,研究人員又發現,發射電子的強度會影響到電子撞擊質子之后的反彈方式,通過大量的數據對比和分析之后,最終確認了夸克在質子內部以不同的動量搖擺。

在反復的碰撞實驗之后,科學家們發現質子的動量主要集中在幾個夸克中,而這些受到碰撞的夸克攜帶了質子總動量的三分之一,這一結論與蓋爾曼和茨威格的假設實現了吻合,質子似乎的確是由三個夸克所構成的。

在蓋爾曼和茨威格的假設中,微觀世界不僅簡單,而且還十分有序,每個上夸克帶有2/3個正電荷,而下夸克帶有1/3個負電荷,所以質子的總電荷為+1。這個假設看起來十分簡明,但卻與事實并不相符。

粒子具有一種內稟性質,就是自旋,簡單來講就是一種由內稟角動量所引起的內稟運動,而質子就擁有半個單位的自旋。

按照蓋爾曼和茨威格的假設,如果質子中只有三個夸克,那麼在考慮自旋的情況下,兩個上夸克的半個單位減去下夸克的半個單位,就應該等于整個質子的半個單位,可實際上卻不是這樣。根據1988年歐洲μ子合作組的報告,夸克自旋加起來之后遠遠小于1/2。更讓人難以置信的是,兩個上夸克和一個下夸克的質量僅占質子總質量的1%左右。

這說明了什麼呢?說明了質子之內不止三個夸克,而且遠遠不止。

那麼如果質子不是一個球里裝了三個夸克,那它到底應該是什麼樣子的呢?一種萌發于20世紀70年代的量子理論很好地說明了這一問題,該理論認為夸克是一種被膠子系在一起的粒子,每種夸克和每種膠子都有三種類型的色荷,這些帶色荷的粒子自然地相互拉扯并形成的一團物質就是質子,這種量子理論就被稱之為量子色動力學,簡稱QCD。

QCD的決定性特征是由戴維·格羅斯、弗蘭克·維爾切克以及戴維·波利策于1973年所發現的,他們也因為這一發現而斬獲了2004年的諾貝爾獎。

既然質子是一團膠子云,為什麼在碰撞實驗中又會顯現出穩定的三夸克結構呢?在溫和碰撞實驗中,質子內部的結構的確如同相互之間保持距離的三個夸克一樣,但如果將電子轟擊質子的強度大幅放大,實驗結果就會截然不同,此時的質子結構就如同一團膠子云。也就是說質子的復雜程度遠超我們的想象,通過不同的探測方式,我們能夠看到質子不同的形態。就是這樣一個小小的質子,我們研究了一個多世紀,至今還沒有完全理解,而這恰恰也是科學探索的魅力所在。

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