尽管质子是所有物质的基本构成部分之一,但我们对它的了解仍然有限。
物理学家在研究这种亚原子粒子时,往往会陷入复杂和量子奇异性的深渊。
质子应该是物理学中最简单的物体之一。它是所有原子的基本构成部分,或者说,它本身就是最简单的原子,因为氢原子(一个带正电的质子加上一个带负电的电子)在电离后仍然是氢。
宇宙中的大多数原子都是氢,你身体中的大多数原子也是氢。事实上,由于电子非常小,质量也很轻,可以很容易得出结论:你主要由质子构成。
鉴于这些事实,你可能会认为物理学家已经对质子了解得非常透彻了。但你错了。
如果你问物理老师质子是由什么构成的,他们可能会告诉你质子是由三种较小的粒子——夸克组成的。夸克有六种不同的类型,或“味道”:上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克(这些名称是在20世纪60年代和70年代命名的),其中上夸克和下夸克结合形成质子和中子。
由于上夸克的电荷为+2/3,下夸克的电荷为-1/3,因此一个带+1电荷的质子由两个上夸克和一个下夸克组成(2/3+2/3-1/3=+1),而一个中性的中子由两个下夸克和一个上夸克组成(-1/3-1/3+2/3=0)。
到目前为止,一切似乎都很好。
但虽然电荷加总得很好,质量却不对。在粒子物理学中,我们通常以能量来衡量质量(通过著名的公式E=mc²可以互换),在这里我们将使用MeV(兆电子伏特)作为单位。
如果你在网上查找夸克的质量,你会发现上夸克的质量大约为2 MeV,而下夸克的质量接近5 MeV。但同样的来源会告诉你质子的质量高达938 MeV。我们的计算差了大约99%。
在我们慌乱之前,可以问一下质子中还有什么其他东西吗?我们有一个方便的答案:胶子!胶子是适当地命名为携带强核力的粒子,就像光子携带光——即电磁力一样。胶子存在于质子中以将夸克结合在一起,因此它们肯定会有所贡献。但是胶子与光子还有一个共同点:它们完全没有质量。
那么我们如何用三个总质量为9 MeV的夸克和一些完全没有质量的粒子构建一个质量为938 MeV的质子呢?
答案比你想象的更复杂。首先,说质子中有三个夸克并不完全正确。实际上,质子是一个不断变幻的量子海洋,里面充满了无数夸克、反夸克和胶子,它们不断通过相互转化而存在。而这些在质子内部飞速移动的虚无缥缈的粒子携带着动能,这通过E=mc²提供了我们所需的938 MeV中的大约60%。
最后的一部分来自强核力本身的能量。夸克不仅被强核力束缚,还被“禁锢”在一起。这与重力或电磁力不同,在重力或电磁力中,分离越远,吸引力越弱——你可以通过足够的努力将磁铁分开,或将火箭加速脱离地球。但强核力会不断拉扯。
强核力本身所包含的能量如此之大,即使你设法将两个结合在一起的夸克分开,克服它们的强核力吸引,投入分离的能量也会自发地产生两个新的夸克,分别与刚刚分开的夸克结合。夸克不喜欢被分开。
这种夸克禁锢的能量解决了质子质量之谜,但确切计算出这一项的产生方式及其大小是极其复杂的,而且你研究得越深入,它就变得越复杂。
最近的实验表明,质子有时可以观察到包含粲夸克,这尤其令人惊讶,因为粲夸克的质量比质子还大。
质子大小的测量几十年来一直存在争议:通过将电子散射到质子上测量,或通过观察氢原子中的电子直接穿过质子,你会得到不同的答案,而电子在正常情况下就是这么做的,因为在那个尺度上,所有事物都不再神圣。
随着新的先进计算技术的发展,我们正在取得进展。这些测量已经非常精确。如果我们能解开这个最基本的原子构件的奥秘,我们将更接近于理解支配现实的基本法则。或者,我们可能会在其中发现更离奇的东西。