「夸克」是什么?
「夸克」,就是组成我们这个世界的最基本的粒子,至少目前物理学家认为是这样的,万事、万物的底层是原子,原子的内部有原子核和外面的电子,原子核又是由质子和中子组成的,但是这样的一个问题又可以追问下去--质子和中子又是如何构成的?
答案就是:「夸克」。
质子和中子都各自是由3个夸克结合在一起形成的,夸克非常小,它的尺度令人难以置信,夸克的半径和质子相比要小2000倍,而质子的半径大约是沙粒半径的2.4万亿分之一,所以这是一个极其渺小的存在,它和电子以及其他的轻子一样,是不可以再分割的,也就是说到目前为止,据所建立的物理知识,「夸克」以下不再有别的结构。
「夸克」是在1964年最早由加州理工学院的理论物理学家默里·盖尔曼(1929年9月15日—2019年5月24日)和另外的一位同事兹威格各自独立提出的,他们当时正在研究质子和中子,发现要想解释这两种粒子的有一些物理性质,只能认为它们的内部还有更小的粒子就是夸克。「夸克」这个有趣的名字正是盖尔曼提出的。到了1967年~1973年间,人们终于在斯坦福加速器中心进行了实验,验证了「夸克」的真实存在。
「夸克」有一个奇异的性质
你可以探测它,可以观察它,但是却不能把它们单独的取出来,夸克和电子都是基本粒子,但电子是很基本的一个单元,我们不仅可以观察电子,也可以独立的取出电子,甚至操纵电子,但是对于夸克这是做不到的。我们不可以从原子核的质子或中子当中拿出一个独立的夸克,这一点是做不到的,这个现象叫做「夸克禁闭」。
既然夸克是禁闭的,我们又如何观察它?
可以用别的粒子来作为道具,测量道具就是——电子。
电子在加速器上获得巨大的速度,直接深入到粒子的内部可以探测到原子核的深处,这样原子核内部结构的夸克就可以和电子发生相互作用,当我们从外面看到了电子的行为的时候,就可以反向推测出原子核内部的夸克的性质和结构。这就好比说原子核像一个核桃,核桃非常的坚硬,我们永远没有办法把它打开,但是我们可以把它放在CT扫描仪上,通过断层扫描看到里面的情况,大体上夸克就是这样被识别出来的。
除了「夸克禁闭」,夸克还有一些非常奇异的地方
「夸克」具有分数电荷,也就是说上面带的电荷单位不是整数的,不是1或者-1,而是1/3、2/3这样的分数单位。
「夸克」按照质量从大到小排列一共有6种类型,物理学家把它称为「味·flavor」,大家不要误会,不是日常生活当中吃到的苦、辣、酸、甜、咸,这只是一个比喻而已,用它来形容夸克的质量属性。
「夸克」还有另外一种更加奇怪的属性,物理学家们只好再去找一个词来形容,最后他们找到的这个词汇叫「颜色·color」。「夸克」是有色彩的,这个色彩同样不是我们日常生活中看到的红红绿绿,它只是一种比喻,比喻 夸克的一类性质,术语上叫做「色荷」,引入色属性就是为了来解释或形象的比喻夸克的颜色禁闭。
夸克的类型
夸克有6种类型,其中哪一种类型还对应着一个反粒子,也就是「反夸克」,故此是12种情况,在这12种情况里边,人们发现有一些夸克可以组合在一起形成稳定的存在,而另外一些是无论如何不能放在一起的。
物理学家为了描述夸克分组结合的这种定向规律,就引入了「色荷」属性,夸克的色有3种:红、绿、蓝,而它们的反粒子也就是「反夸克」对应的是反红、反绿、反蓝。在「色荷」力学当中,物理学家们规定夸克组合在一起,只有当它们的「色荷」最后浓缩的结果是白色或者说是无色的情况下才能够存在。红、绿、蓝是三原色,所以当具有红色色荷、蓝色色荷和绿色色荷的三个夸克合在一起的时候,就可以认为它们是白色或者是没有颜色,它们就能稳定的存在。
另外一种情形是正夸克和反夸克。正红、反红或者是正绿、反绿这样的颜色组合在一起的时候也认为是无色的,只有无色的组合才可以最后存在,凡是搭配在一起出现了颜色夸克就不能存在,这叫做「夸克颜色禁闭」。
连接夸克的胶水
质子和中子是最稳定的由夸克结合形成的粒子,它们刚好都是由3个三原色夸克形成的稳定组,正是因为夸克不能显示单独的颜色,所以我们永远无法从原子核当中取出一个独立的夸克,夸克的微小和它蕴藏能量的巨大形成了一对矛盾,后来在此基础上,物理学家们提出夸克的连接需要一种强力的胶水,这种胶水也是一种粒子,叫做「胶子」。
胶子就是强相互作用力的提供者,简单地说就是它们把夸克绑在一起,胶子也有许多奇妙的特征,比如一种叫做「胶子饱和」的现象,当两个质子和两个重离子以很高的能量碰撞的时候,在它们中间的某个区域会出现高密度的胶子,这是非常值得探测的,原因在于这个时候的胶子会表现出一种整体一致性的行为属性,这一点就像是我们在早高峰或晚高峰搭乘地铁一样,整个车厢里塞了人,这个时候一旦有一个人摔倒,周围的人即使不挨着他,也可以感觉到他的动作,原因是大伙密密麻麻地紧密排列在一起,所有的动作都可以传播开来,这样的高密度的致密性使得整个胶子区域像一块玻璃,所以它也叫做「色玻璃凝聚态」,这正是实验物理学家当前最关注的一个观测现象,假如我们能够在大型对撞机上找到这样的凝聚态,这一定是一个伟大的发现,而这一点也是关于夸克最大的未解谜题之一。
当然说到谜题,大伙的心中一定还有一个问题想问的——都说夸克是最基本的粒子,那谁来保证这一点,夸克的内部还会不会存在更精细的结构呢?
对此我只能告诉您——物理学不知道答案。
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