关于质子的新认识.docx

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1、关于质子的新认识我们知道世间万物主要是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成的，原子核又是由质子和中子组成的。那电子、质子和中子又是由什么东西组成的呢？接下来就是现代物理学了。在物理学家看来，电子是一个基本粒子，它没有内部结构，不是由别的东西组成的。你可以把电子想象成一个“点”，它有各种有意思的性质，但是它不可再分1o而质子和中子并不是基本粒子，它们是由夸克组成的。事实上，根据物理学家对世界的最新认识，整个世界的万事万物，是由17种基本粒子组成的。这个学说叫做标准模型。粒子物理标准模型三代物质粒子（费米子）I1I11电荷自旋22MeVZc22/31/2U上1.28GV/c22/3C1/2U粲1

2、73.1GVc2t1/2I顶胶子IJI1=125.09GeVc,J希格斯玻色子标准模型把所有基本粒子分成三类一一第一类基本粒子构成了各种物质，包括夸克、电子和中微子；第二类基本粒子负责传递各种物质之间的相互作用，包括光子、胶子等玻色子;第三类基本粒子只有一个，那就是著名的“上帝粒子”一一希格斯玻色子,它赋予其他基本粒子质量。咱们重点说夸克。夸克有6种，叫做6个“味道”，分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。夸克带有电荷，是构成质子和中子的基石。大学物理教科书上的知识，就是一个质子是由两个上夸克和一个下夸克组成的，一个中子是由两个下夸克和一个上夸克组成的。下面动图中表现了一个中子

3、你可以看到三个夸克不断地互相传递某种“小球”一一那个小球就是胶子，负责传递强相互作用。基本粒子物理学认为除了引力之外，各种力都是由某种粒子传递的。比如你上中学学的那个“电磁力”，就是由光子负责传递的。交换某种粒子，就是在发生相互作用2。把三个夸克绑在一起形成质子和中子的那个力，就是强相互作用。一个质子就是三个夸克，这是一个简单的画面。然而最近这些年，特别是今年，人们对质子有了全新的认识。教科书上的描写过时了。质子是一种深不可测的东西。物理学家怎么知道质子内部的结构是什么样的呢？做法是用一个电子去轰击它，把它撞碎，看看撞出来的东西都有什么。这就是斯坦福直线加速器中心(S1AC)所做的事情。以前条

4、件有限，对撞电子的能量不算高，撞的时候都撞到组成质子的三个夸克中的某一个上。你看看从质子中撞飞出来的碎片的运动轨迹，就知道它是哪种夸克。实验结果和夸克理论吻合地很好，这也是第一次证明了夸克的存在一一这个发现还得了1990年的诺贝尔物理学奖。事情似乎就这样了结了。一个质子是由两个上夸克一个下夸克总共三个夸克组成，它们均分了质子的动量，互相联系着、非常灵动地存在于质子之中，像下面这张动图所示一一这就是当时物理学家心目中质子的标准形象。但后来物理学家想，如果我们把电子的能量再加大一些力度，能不能撞出别的东西来呢？1992年，德国的强子-电子环形加速器（HERA）,把电子撞向质子的力度提高到了前面斯坦

5、福直线加速器的一千倍。它做了很多对撞实验,一直做到2007年。很多对撞结果跟斯坦福是一致的，但有些时候，电子会撞到一个动量很低的夸克身上。质子中那三个夸克的动量都很高，这个动量很低的夸克是从哪来的呢？物理学家想一想也理解了，那是一个“无中生有”的夸克。前面我们说了，夸克之间是通过胶子传递相互作用的一一这个理论叫量子色动力学（QCD）。量子色动力学认为，胶子在从一个夸克走向另一个夸克的过程中，有时候会*凭空*获得某种高能量。获得高能量之后，一个胶子就有可能变成一个夸克和这个夸克的反物质对：比如胶子变成了一个上夸克和一个反的上夸克。这一正一反两个夸克会马上因为互相接触而湮灭掉一一因为正反物质相遇总

6、是会发生湮灭一一回归胶子。那你说胶子怎么能凭空获得能量呢？难道能量不应该是守恒的吗？这就是一种量子力学效应了。量子力学里的能量具有不确定性，有时候就是可以突然变大一点或者变小一点3O这也是量子隧穿和原子核衰变的原理，甚至有可能宇宙起源也是因为真空中的某处突然多了一点点能量4O所以胶子有时候会凭空变出来两个夸克。这两个夸克既然是凭空变出来的，动量自然都很低。而电子轰击质子的时候，有时候恰好就轰击到质子中凭空变出来、还没有来得及湮灭的某个夸克上。这样我们的质子图像就得变一变了。以前是三个夸克，现在是三个夸克外加一系列由胶子凭空变出又立即湮灭的夸克一一now1980s上面这两张图中只画了几对凭空变出

7、的夸克，这个太不真实了。德国HERA的实验表明，质子内部何止是偶尔出现几对凭空变出的夸克那其实是一片夸克的海洋5!质子中随时随地都在不断往外冒夸克，不断地产生和湮灭。只要入射电子能量足够高，你看到的是像下面这样像放烟花一样到处都在喷夸克的质子形象一一电子能量再高一点，看到的是下面这样一片夸克之云这个新图像确实是在以前物理学家的意料之外，但也算是情理之中。我们能猜到胶子会变成正反夸克对，但没想到如此普遍，更没想到凭空产生的夸克能在局部形成某种切实的存在，以至于被电子撞到。那些由胶子凭空变出来的正反夸克们，被称之为海夸克。一般来说，既然胶子额外获得的能量有限，海夸克都是质量比较低的夸克，最常见的就

8、是出现一对上夸克或者下夸克，这两种夸克的质量最低6。偶尔可能会出现奇夸克，奇夸克的质量就比较重了，是质子总质量的10乐这个概率按理说应该很低。质子内部有个波涛翻滚的夸克之海，但总体上应该是比较平静的吧？然而就在2023年8月，出了个大新闻，说质子内部并不平静，其中有更大的夸克。因为夸克海实在太复杂，没有办法直接解方程，有人干脆想了个主意说咱们用大数据分析、用机器学习行不行。物理学家走这一步可以说是不得已而为之的堕落，因为统计分析的误差比传统的理论和实验都高太多了。但是有学说总比没学说好。这个大新闻就是荷兰的几个物理学家，把过去50年间拍摄的5000多张电子-质子碰撞的快照，使用机器学习方法进行

9、一番分析,进一步推测了质子内部的夸克海是什么样的7O结果分析发现，夸克海里有时候甚至会出现一对粲夸克，也就是质量第四重的夸克。这问题可就大了。粲夸克的质量比整个质子都要大，相当于整个质子质量的136%0这就相当于夸克海里有时候会冒出一对鲸鱼，每个鲸鱼的重量都超过了整个海洋的重量！是，量子效应有时候允许你凭空获得一点能量，但是这个能量是不是也太多了？然而这就是机器学习发现的结果。那么最新的质子图像又变成了下面这样一一UpquarkUpDownquarkquark一个质子中有3个常驻的高动量夸克，包括两个上夸克和一个下夸克。这三个常驻夸克之间会不断通过胶子来传递相互作用0胶子走在路上常常会突然间变

10、成一对正夸克和反夸克，那些凭空变出来的夸克就形成了一片夸克海。海夸克一般都是质量比较低的，但有时候也会冒出一对大鱼来，居然是两个质量比质子本身都大的粲夸克。怎么理解这个图像？你可能会猜测，粲夸克的质量，是不是入射电子的高能量给带来的？这种可能性不能说没有，但是一方面理论不支持：电子跟胶子又不发生作用，它怎么把能量传递给胶子？另一方面实验中温和的碰撞也能看到粲夸克。还有一种可能就是机器学习根本不靠谱，还有待进一步实验验证。表面上无比温顺的质子，哪知道他内心有这等深不可测的波澜。质子中可能有粲夸克，这对生活有什么意义呢？最直接的意义是它会影响你的观测结果5。粲夸克被撞击可能会带来额外的中微子。如果

11、宇宙射线打到大气中质子里的粲夸克上，带来这么一个高能的中微子的话，你要不知道质子里就有粲夸克，还以为那个高能中微子来自宇宙，殊不知它实际上来自本地。这也给将来用大型强子对撞机（1HC）撞什么东西提了一个醒，你得考虑到这一点。顺便说一句，这一讲所有的实验结果都是在斯坦福直线加速器和德国的强子-电子环形加速器上得到的。我还是那句话，1HC至今没有给我们提供任何一个*意外*发现。1HC花费了那么多钱、有那么多媒体报道，可是它的所有实验结果都是理论物理学家早就想到的。搞科研千万别学1HC。倒是布鲁克海文国家实验室打算在2030年代启动一个更高级的电子和质子对撞机，那时候可能会有新发现。听到这里你可能会

12、忍不住想，质子为什么这么复杂？如果让你来设计宇宙，质子作为这个宇宙中如此普遍的存在、作为构建万事万物最重要的一种破头，有必要设计得那么复杂吗？其实你应该问的是为什么夸克如此复杂。夸克是一种基本粒子，只是一个点而已。可是它却有这么多神奇的性质。夸克有不同的味道，味道决定了它的类型、重量和电荷。它还有“颜色”一一不是生活中的颜色，是参与量子色动力学时候的特征。夸克可以传递胶子，而胶子有时候会自己又变出两个夸克来。一种夸克通过衰变还能变成另一种夸克。日常生活中可没有这样的砖头。为什么宇宙的砖头如此复杂？因为夸克要做的工作很多一一* 它要参加电磁相互作用，它要带电荷，这样我们才有了原子、才有了化学；*

13、 它要参加强相互作用，这样不同夸克才能组合在一起形成质子和中子，质子和中子才能形成原子核；* 它还要参加弱相互作用，也就是一个夸克突然间变成另一个夸克，只有这样才会出现放射性衰变，才有可能发生核聚变，太阳才能发光发热；* 它还必须得参与引力相互作用，这才有了万有引力而且夸克的各项设定数值必须配合得无比精巧，才能让组成的质子不会衰变。一个夸克可能会衰变变成另一个夸克，可是质子却永远都是质子！你不觉得这太巧了吗？要知道如果质子会衰变，那可就没有一个原子是稳定的，也就谈不上有这么一个相当稳定的世界供我们玩耍了你想想，作为宇宙中最基本的一种砖头，夸克竟然能干这么多事。物理学家并不完全理解夸克，我们知道夸克的一些行为和性质，我们可能永远都不会知道夸克本质上是个什么东西。