UFO中文网

 找回密码
 注册会员

QQ登录

只需一步,快速开始

快捷导航
搜索
查看: 1365|回复: 0

夸克是什么:宇宙最小粒子?

[复制链接]
发表于 2016-2-2 13:11:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
夸克是什么?对物质寻根究底是宇宙学家一直在做的一件事:比如我们一直在探寻的上帝粒子或者夸克粒子!他们一直想知道,创生大爆炸后出现的物质究竟是什么形态。科学界迄今还不能制造如此高的能量,以创造最初的物质。一些科学家开始放慢脚步,去追踪已知基本粒子的底细。
我们现在知道,基本粒子有很多种。本文要说的,是组成物质(指化学元素, 如氢、氮……)的基本粒子。这也是古代哲学家的话题,可以追溯到很久以前。约公元前450年,古希腊哲学家德谟克利特说,世界上的一切物质皆由一些极微小的基本粒子组成,他称此为原子,而原子就不能再分下去了。
近代物理学也把原子作为物质的最小单位,并认为它由原子核和电子构成。20世纪30年代,人们了解到原子核内还含着质子和中子。彼时,人们把这些粒子称为基本粒子。20世纪6 0年代,科学家在一系列实验中感到质子可能有内部结构。在高能电子的轰击下,质子内部的电荷具有一定的分布图,其半径在0.7×10-13厘米的线度上。1964年,盖尔曼和茨威克正式从理论上计算出这种深层次物质的存在,将其取名为夸克,它带有分数电荷。
之后,理论界确认,夸克共有6种,它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。参与物质组成的主要是上夸克和下夸克。

地球上有100多种元素,最简单的是氢,氢在大爆炸后不久就生成了,而较重的元素是在恒星核燃烧和超新星爆发时出现的。氢的结构最简单,原子中心是一个原子核,核内有一个质子,围着核有一个电子。而其他元素的原子核内皆有质子和中子,前者呈电正性,后者为电中性,两者统称为核子。

fdts20160116-1-l.jpg
现在,一些科学家对核子抱有很大希望。他们说,抓住它的复杂性,我们就能解释物质宇宙是如何存在和运行的,进而进入高难度技术领域,诸如新型激光和储能材料研究等领域。
原子核是原子中最厚实的部分,质子和中子除了电性的不同外,在质量上也略有区别,前者为938.3兆电子伏特,后者略大,为939.6兆电子伏特。二者的质量相差甚小,仅0.14%,而正是这微小的差异,使得宇宙百态繁复。质子配上了电子,形成电中性、带结构的原子,没有让世界变成一个无特性的中子半流体。

粒子物理学家斯克雷奇达说:“若质子重于中子,那么整个宇宙将变得大不一样。质子是稳定的,故原子和我们是稳定的。”而这跟它的质量有关。目前我们认为,质子的半衰期至少是1032年,而宇宙迄今的年龄也不过1010年。也就是说,宇宙中没人见过一个质子的衰变。
如果质子与中子的质量之差稍大一点,就会有更多的中子参与形成更复杂的重元素,就将遇到难以克服的能量屏障,使重元素无法形成,宇宙将只有氢元素。
若两者的质量之差稍小一点,那么在恒星形成之前,氢将自发地变成更无生气的氦,使得宇宙成为一个呆滞的世界。
德国理论物理学家福多尔说,所有这些导致了一个必然的结论,即质子和中子的质量若不是像现在这样,那么人类将不会存在。

我们已知核子并非基本粒子。质子是由两个上夸克(带2/3电荷)和一个下夸克(带负1/3电荷)组成,故带一个正电荷;中子由两个下夸克和一个上夸克组成,故呈电中性。下夸克略重于上夸克,但我们无法据此解释质子和中子的质量差。这两种夸克的质量都很小,我们很难确切地说出差额究竟是多少,因为夸克从未被单独看到过。总的来说,这些夸克加起来,只占质子、中子质量的很小一部分。


bki-20130617230628-1854076446.jpg

像所有的基本粒子那样,夸克也是通过黏性的、漫游于整个空间的希格斯场(由希格斯玻色子产生)的作用而获得质量的。但要解释清楚由多个夸克组成的物质,还得加上别的方法。
最终的答案来自量子色动力学(QCD)。 就像带电粒子带有电荷,决定了它对电磁力的反应,夸克带有色荷(这个“色”并非我们日常所说的颜色,只不过借用此词表达夸克的一种属性),可以跟强核力相互作用。QCD 就是描述强核力的基本理论。

带电粒子是通过相互交换无质量的光子而结合的,与之类似,带色荷的夸克是通过相互交换胶子而组成物质(诸如质子、中子)的。胶子没有质量但有能量,根据爱因斯坦的著名公式:E=mc2,其能量可变成多种夸克泡,通常总是处在质子或中子内。根据量子理论的测不准原理,这些额外的粒子不断地从真空中蹿出,又立即消失,一直处在这种状态下。
在过去的40年中,物理学家一直试图解开这个谜。他们提出了一种理论,称晶格QCD,可以解释核子的全盘运动,不过其数学计算十分复杂、费时。
研究在2008年出现了突破,科学家终于得出了两个核子 的 质 量——936兆电子伏特,并了解了夸克的能量和胶子的相互作用,它们构成了核子质量的大部分。但这一计算还不十分精确,很难找出质子和中子的全部重要差别。
此外,这一计算还忽略了电荷效应。电荷是另一种能量,它同样有质量。那些在核子中瞬息即逝的夸克和反夸克都带有电荷,这对粒子的质量做了额外的贡献。不将这些效应考虑进去,讨论核子的质量问题就成了空谈。韦尔切克说,讨论某种复杂粒子的质量差,实在是无意义的模仿。笔者认为,既然核子是原子结构中最厚实的部分,故精确地说,不仅核子的质量是活的,所有原子的质量皆是活的、变动着的。


oCvA-fxewnia9413032.jpg

质子与中子的质量之差难以捉摸,解决此难题的方法不是QCD 方程,而是量子电动力学(QED)的方程,它是处理电磁相互作用的理论。最佳的办法当然是把QCD 和QED 置于同一框架,可是这极困难,电磁场自身的能量无法直接计算出来。这个能量在晶格模拟中会变得无限大,其数学效果就是使方程无解。
福多尔等人付出了很大的努力,获得了质子与中子的质量差。他们得出的数字跟其他理论计算值保持一致,虽然可能的误差约有20%,但科学家仍然认为这是一个里程碑。
韦尔切克说,令人兴奋的是,现在我们有能力去计算有关宇宙运行的、十分基础的条件,过去我们做不到。巨大恒星的内部活动(诸如超新星爆发)第一次为宇宙播种了重元素。 我们无法把QED 和QCD 结合起来,就意味着我们无法指出第一批重元素产生的时标。而其产生的条件又十分极端,我们无法在实验室内模拟。韦尔切克说:“如今我们有信心进行计算了。”
2012 年,大型强子对撞机发现了希格斯玻色子,但仍留下不少难题。诸如,创生大爆炸后,为何出现的物质多于反物质?为何质子和电子的电荷如此完美(一正一负),而前者结构复杂,后者却很单一?福多尔的一位合作者说:“我们需要新的物理学,去寻找标准物理理论以外还隐藏着的东西。”

现在,大型强子对撞机再次启动,去探索粒子在更高能标上的相互作用。科学界希望它能给出某种新事物的清晰信号,“但是人们不得不去了解这个新理论(指给出的新的信号的基础”。
这听上去有点夸张,但还是值得考虑的。要知道,现代技术就是来自我们对物质深层次的了解。一个世纪前,我们刚好抓住了原子,正是在对它了解的基础上,我们发明了计算机和激光技术,进而洞悉了原子核,带来了许多新技术,诸如核电站、原子弹等。

我们进入质子和中子的世界,意味着科学研究又深入了一个层面。在跟色荷的相互作用中,胶子更具激发性(与光子跟电磁力的相互作用相比),故它可能操作带色荷粒子在原子尺度上产生更大能量。
胶子不像光子,它们自身可相互作用,彼此束缚在一个扭曲的能量柱之中。若我们能更为直接地驾驭它们,就可能获得一种使用和储藏能量的好方法。因建立QCD 理论而获得了诺贝尔奖的韦尔切克说:“核子能把一大堆能量存入一个很小的空间。若我们能通过计算精确地模拟核化学实验,而不是做碰巧能成功的实验,就是很大的成功,这将把我们引向密集能量储藏方面的探索。”
就今日而言,这些大多还是梦想,但至少物理学家已能顾及这些梦想。科学界认为,我们已经到了夸克时代!

您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册会员

本版积分规则


快速回复 返回顶部 返回列表