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      微觀到結合夸克構成質子的“強核力”,它非常有意思

      發布時間:2019-05-07 14:31:24來源:新浪科技

        北京時間 5 月 7 日消息,據國外媒體報道,引力、電磁力、弱核力、強核力----四種已知自然力都有屬于自己的獨特位置,每一種力都在我們的生活中掌管著一片小天地。雖然地球上是引力、光的電磁力在日常生活中發揮主要作用,但兩種核力也扮演了關鍵角色——只不過作用尺度非常、非常小而已。

        有多小呢?想象你的身體膨脹到了整個太陽系那么大,你的雙手在奧爾特云中搖擺,八大行星則飄在你的肚臍上方。你的身體太過龐大,電信號要花上幾周、甚至數月時間,才能穿過你的整個神經系統。即使做再簡單的手勢,動作也極其緩慢。

        這就是你現在的大小(大概一米多)與 10^15 米之間的差距。

        現在讓我們反過來想。想象一個極小的尺度,對這個尺度而言,你的身體就像太陽系那么大。在這個尺度看來,你的動作也慢得不可思議。這個極小的尺度單位名叫“費米”(femtometer),相當于 10^-15 米。而這就是原子核的尺度。

        質子內部

        從我們的視角來看,很容易把質子想成一個單獨的粒子,外面有一層由正電荷和質量構成的外殼,能像臺球一樣彈來撞去。但事實上,質子由三個更小的粒子構成,而這三個粒子有一個有趣的名字:夸克。自然界中一共有六種夸克,但就質子而言,我們只需要關注其中兩種,分別叫上夸克和下夸克。

        剛才說到,質子由三個夸克構成,包括兩個上夸克和一個下夸克。這些夸克相互結合在一起,形成一支團隊,而這支“團隊”就是我們所說的質子。

        然而,這樣根本說不通。

        兩個上夸克所帶的電荷完全相同(因為它們屬于同一類粒子),本應相互排斥才對,怎么能如此牢固地結合在一起呢?

        此外,我們通過量子力學得知,兩個夸克無法同時處于同一種狀態,因此不可能讓兩個夸克同時以同一種方式結合在一起,也不可能讓它們以這種方式共存。然而不知何故,這兩個夸克不僅能“忍受”對方的存在,甚至似乎還很喜歡對方的“陪伴”。

        到底發生了什么事情呢?

        不一樣的“色彩”

        上世紀五六十年代,物理學家開始意識到,質子并不是最基本的粒子,它還可以分解成更小的部分,所以他們開展了大量實驗,并提出了多種理論。結果,他們先是發現了夸克的存在,然后又遇到了上述難題。

        肯定有某種東西將這三個夸克結合在了一起,并且它的力量非常、非常強大,是一種全新的自然力。

        這就是所謂強相互作用力。

        這種假設出的強相互作用力通過簡單的蠻力解決了夸克共存的問題。你們無法同時處于同一種狀態,所以不愿意待在一起是嗎?沒辦法,強相互作用力會強迫你們倆待在一起,這樣一來,問題就解決了。

        此外,每一種力都有一個對應的連接點,就像一只鉤子一樣。這能幫你判斷這種力對你造成了多大的影響。對電磁力而言,這個連接點就是電荷;對引力而言是質量;而對強核力而言,物理學家也得找出一種對應的“鉤子”。最終,物理學家選定了“色荷”(color)這個詞。

        因此,假如你、或者你知道的某個粒子擁有這種名叫“色荷”的性質,你就能感受到強核力。你的色荷可以是紅色、綠色、或藍色(還有“反紅色”、“反綠色”和“反藍色”,因為生命必定不會那么簡單)。要形成一個像質子那樣的粒子,所有夸克的色荷加在一起必須為白色。因此,如果一個夸克是紅色,另一個是綠色,最后一個就必定是藍色。色荷的具體分配情況并不重要(事實上,每個夸克的色荷也會不斷變化),重要的是,所有夸克的色荷加在一起必須是白色,這樣強核力才能發揮作用。

        有了色荷這種新性質,質子內部的夸克就可以同時處于同一種狀態了。因為有了色荷,兩個夸克就不算完全相同,畢竟它們各自的色荷不一樣。

        超級強度

        想象一下,你拿著兩把小小的鉗子,夾住質子中的兩個夸克。你有鍛煉的習慣,所以你的力氣可以勝過強核力。

        但強核力有個奇怪的性質:它的強度并不會隨著距離的增大而減小。而其它力都會如此,比如引力和電磁力。但強核力的強度卻始終如一,無論夸克之間相距多遠,都不會有所減弱。

        因此,你要想將這些夸克掰開,就要不停加入更多的能量,才能維持它們的分離狀態。你加入的能量越來越多,最終積累了足夠多的能量,以致于夸克之間的真空中又誕生了新粒子、新夸克……

        而這些新夸克又會立即找到“小伙伴”,彼此結合到一起。你花了半天工夫,出了一身大汗,最后還沒來及把兩個夸克掰開多遠,這一切就會功虧一簣。等你以為自己總算把兩個夸克掰開之后,它們已經找到了新伙伴、建立起了新的結合關系。這一效應叫做“夸克約束”,強核力實在太過強大,導致我們永遠也不可能看見一個孤立存在的夸克。

        而我們永遠也無從得知這個夸克的“顏色”。真是遺憾。
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