擁抱夸克時代

陳壯叔

對物質(zhì)尋根究底是宇宙學(xué)家一直在做的一件事。他們一直想知道，創(chuàng)生大爆炸后出現(xiàn)的物質(zhì)究竟是什么形態(tài)?？茖W(xué)界迄今還不能制造如此高的能量，以創(chuàng)造最初的物質(zhì)。一些科學(xué)家開始放慢腳步，去追蹤已知基本粒子的底細。

我們現(xiàn)在知道，基本粒子有很多種。本文要說的，是組成物質(zhì)（指化學(xué)元素， 如氫、氮……）的基本粒子。這也是古代哲學(xué)家的話題，可以追溯到很久以前。約公元前450年，古希臘哲學(xué)家德謨克利特說，世界上的一切物質(zhì)皆由一些極微小的基本粒子組成，他稱此為原子，而原子就不能再分下去了。

近代物理學(xué)也把原子作為物質(zhì)的最小單位，并認為它由原子核和電子構(gòu)成。20世紀30年代，人們了解到原子核內(nèi)還含著質(zhì)子和中子。彼時，人們把這些粒子稱為基本粒子。20世紀6 0年代，科學(xué)家在一系列實驗中感到質(zhì)子可能有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在高能電子的轟擊下，質(zhì)子內(nèi)部的電荷具有一定的分布圖，其半徑在0.7×10-13厘米的線度上。1964年，蓋爾曼和茨威克正式從理論上計算出這種深層次物質(zhì)的存在，將其取名為夸克，它帶有分數(shù)電荷。

之后，理論界確認，夸克共有6種，它們是上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。參與物質(zhì)組成的主要是上夸克和下夸克。

地球上有100多種元素，最簡單的是氫，氫在大爆炸后不久就生成了，而較重的元素是在恒星核燃燒和超新星爆發(fā)時出現(xiàn)的。氫的結(jié)構(gòu)最簡單，原子中心是一個原子核，核內(nèi)有一個質(zhì)子，圍著核有一個電子。而其他元素的原子核內(nèi)皆有質(zhì)子和中子，前者呈電正性，后者為電中性，兩者統(tǒng)稱為核子。

現(xiàn)在，一些科學(xué)家對核子抱有很大希望。他們說，抓住它的復(fù)雜性，我們就能解釋物質(zhì)宇宙是如何存在和運行的，進而進入高難度技術(shù)領(lǐng)域，諸如新型激光和儲能材料研究等領(lǐng)域。

原子核是原子中最厚實的部分，質(zhì)子和中子除了電性的不同外，在質(zhì)量上也略有區(qū)別，前者為938.3兆電子伏特，后者略大，為939.6兆電子伏特。二者的質(zhì)量相差甚小，僅

0.14%，而正是這微小的差異，使得宇宙百態(tài)繁復(fù)。質(zhì)子配上了電子，形成電中性、帶結(jié)構(gòu)的原子，沒有讓世界變成一個無特性的中子半流體。

粒子物理學(xué)家斯克雷奇達說：“若質(zhì)子重于中子，那么整個宇宙將變得大不一樣。質(zhì)子是穩(wěn)定的，故原子和我們是穩(wěn)定的?！倍@跟它的質(zhì)量有關(guān)。目前我們認為，質(zhì)子的半衰期至少是1032年，而宇宙迄今的年齡也不過1010年。也就是說，宇宙中沒人見過一個質(zhì)子的衰變。

如果質(zhì)子與中子的質(zhì)量之差稍大一點，就會有更多的中子參與形成更復(fù)雜的重元素，就將遇到難以克服的能量屏障，使重元素?zé)o法形成，宇宙將只有氫元素。

若兩者的質(zhì)量之差稍小一點，那么在恒星形成之前，氫將自發(fā)地變成更無生氣的氦，使得宇宙成為一個呆滯的世界。

德國理論物理學(xué)家福多爾說，所有這些導(dǎo)致了一個必然的結(jié)論，即質(zhì)子和中子的質(zhì)量若不是像現(xiàn)在這樣，那么人類將不會存在。

我們已知核子并非基本粒子。質(zhì)子是由兩個上夸克（帶2/3電荷）和一個下夸克（帶負1/3電荷）組成，故帶一個正電荷；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，故呈電中性。下夸克略重于上夸克，但我們無法據(jù)此解釋質(zhì)子和中子的質(zhì)量差。這兩種夸克的質(zhì)量都很小，我們很難確切地說出差額究竟是多少，因為夸克從未被單獨看到過?？偟膩碚f，這些夸克加起來，只占質(zhì)子、中子質(zhì)量的很小一部分。

像所有的基本粒子那樣，夸克也是通過黏性的、漫游于整個空間的希格斯場（由希格斯玻色子產(chǎn)生）的作用而獲得質(zhì)量的。但要解釋清楚由多個夸克組成的物質(zhì)，還得加上別的方法。

最終的答案來自量子色動力學(xué)（QCD）。 就像帶電粒子帶有電荷，決定了它對電磁力的反應(yīng)，夸克帶有色荷（這個“色”并非我們?nèi)粘Ｋf的顏色，只不過借用此詞表達夸克的一種屬性），可以跟強核力相互作用。QCD 就是描述強核力的基本理論。

帶電粒子是通過相互交換無質(zhì)量的光子而結(jié)合的，與之類似，帶色荷的夸克是通過相互交換膠子而組成物質(zhì)（諸如質(zhì)子、中子）的。膠子沒有質(zhì)量但有能量，根據(jù)愛因斯坦的著名公式：E=mc2，其能量可變成多種夸克泡，通?？偸翘幵谫|(zhì)子或中子內(nèi)。根據(jù)量子理論的測不準(zhǔn)原理，這些額外的粒子不斷地從真空中躥出，又立即消失，一直處在這種狀態(tài)下。

在過去的40年中，物理學(xué)家一直試圖解開這個謎。他們提出了一種理論，稱晶格QCD，可以解釋核子的全盤運動，不過其數(shù)學(xué)計算十分復(fù)雜、費時。

研究在2008年出現(xiàn)了突破，科學(xué)家終于得出了兩個核子 的 質(zhì) 量——936兆電子伏特，并了解了夸克的能量和膠子的相互作用，它們構(gòu)成了核子質(zhì)量的大部分。但這一計算還不十分精確，很難找出質(zhì)子和中子的全部重要差別。

此外，這一計算還忽略了電荷效應(yīng)。電荷是另一種能量，它同樣有質(zhì)量。那些在核子中瞬息即逝的夸克和反夸克都帶有電荷，這對粒子的質(zhì)量做了額外的貢獻。不將這些效應(yīng)考慮進去，討論核子的質(zhì)量問題就成了空談。韋爾切克說，討論某種復(fù)雜粒子的質(zhì)量差，實在是無意義的模仿。筆者認為，既然核子是原子結(jié)構(gòu)中最厚實的部分，故精確地說，不僅核子的質(zhì)量是活的，所有原子的質(zhì)量皆是活的、變動著的。

質(zhì)子與中子的質(zhì)量之差難以捉摸，解決此難題的方法不是QCD 方程，而是量子電動力學(xué)（QED）的方程，它是處理電磁相互作用的理論。最佳的辦法當(dāng)然是把QCD 和QED 置于同一框架，可是這極困難，電磁場自身的能量無法直接計算出來。這個能量在晶格模擬中會變得無限大，其數(shù)學(xué)效果就是使方程無解。

福多爾等人付出了很大的努力，獲得了質(zhì)子與中子的質(zhì)量差。他們得出的數(shù)字跟其他理論計算值保持一致，雖然可能的誤差約有20%，但科學(xué)家仍然認為這是一個里程碑。

韋爾切克說，令人興奮的是，現(xiàn)在我們有能力去計算有關(guān)宇宙運行的、十分基礎(chǔ)的條件，過去我們做不到。巨大恒星的內(nèi)部活動（諸如超新星爆發(fā)）第一次為宇宙播種了重元素。 我們無法把QED 和QCD 結(jié)合起來，就意味著我們無法指出第一批重元素產(chǎn)生的時標(biāo)。而其產(chǎn)生的條件又十分極端，我們無法在實驗室內(nèi)模擬。韋爾切克說：“如今我們有信心進行計算了?！?/p>

2012 年，大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，但仍留下不少難題。諸如，創(chuàng)生大爆炸后，為何出現(xiàn)的物質(zhì)多于反物質(zhì)？為何質(zhì)子和電子的電荷如此完美（一正一負），而前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后者卻很單一？福多爾的一位合作者說：“我們需要新的物理學(xué)，去尋找標(biāo)準(zhǔn)物理理論以外還隱藏著的東西?！?/p>

現(xiàn)在，大型強子對撞機再次啟動，去探索粒子在更高能標(biāo)上的相互作用?？茖W(xué)界希望它能給出某種新事物的清晰信號，“但是人們不得不去了解這個新理論（指給出的新的信號的基礎(chǔ)”。

這聽上去有點夸張，但還是值得考慮的。要知道，現(xiàn)代技術(shù)就是來自我們對物質(zhì)深層次的了解。一個世紀前，我們剛好抓住了原子，正是在對它了解的基礎(chǔ)上，我們發(fā)明了計算機和激光技術(shù)，進而洞悉了原子核，帶來了許多新技術(shù)，諸如核電站、原子彈等。

我們進入質(zhì)子和中子的世界，意味著科學(xué)研究又深入了一個層面。在跟色荷的相互作用中，膠子更具激發(fā)性（與光子跟電磁力的相互作用相比），故它可能操作帶色荷粒子在原子尺度上產(chǎn)生更大能量。

膠子不像光子，它們自身可相互作用，彼此束縛在一個扭曲的能量柱之中。若我們能更為直接地駕馭它們，就可能獲得一種使用和儲藏能量的好方法。因建立QCD 理論而獲得了諾貝爾獎的韋爾切克說：“核子能把一大堆能量存入一個很小的空間。若我們能通過計算精確地模擬核化學(xué)實驗，而不是做碰巧能成功的實驗，就是很大的成功，這將把我們引向密集能量儲藏方面的探索?！?/p>

就今日而言，這些大多還是夢想，但至少物理學(xué)家已能顧及這些夢想?？茖W(xué)界認為，我們已經(jīng)到了夸克時代！