「誇克」是什麼?
「誇克」,就是組成我們這個世界的最基本的粒子,至少目前物理學家認為是這樣的,萬事、萬物的底層是原子,原子的內部有原子核和外面的電子,原子核又是由質子和中子組成的,但是這樣的一個問題又可以追問下去--質子和中子又是如何構成的?
答案就是:「誇克」。
質子和中子都各自是由3個誇克結合在一起形成的,誇克非常小,它的尺度令人難以置信,誇克的半徑和質子相比要小2000倍,而質子的半徑大約是沙粒半徑的2.4萬億分之一,所以這是一個極其渺小的存在,它和電子以及其他的輕子一樣,是不可以再分割的,也就是說到目前為止,據所建立的物理知識,「誇克」以下不再有別的結構。
「誇克」是在1964年最早由加州理工學院的理論物理學家默裡·蓋爾曼(1929年9月15日—2019年5月24日)和另外的一位同事茲威格各自獨立提出的,他們當時正在研究質子和中子,發現要想解釋這兩種粒子的有一些物理性質,只能認為它們的內部還有更小的粒子就是誇克。「誇克」這個有趣的名字正是蓋爾曼提出的。到了1967年~1973年間,人們終於在斯坦福加速器中心進行了實驗,驗證了「誇克」的真實存在。
「誇克」有一個奇異的性質
你可以探測它,可以觀察它,但是卻不能把它們單獨的取出來,誇克和電子都是基本粒子,但電子是很基本的一個單元,我們不僅可以觀察電子,也可以獨立的取出電子,甚至操縱電子,但是對於誇克這是做不到的。我們不可以從原子核的質子或中子當中拿出一個獨立的誇克,這一點是做不到的,這個現象叫做「誇克禁閉」。
既然誇克是禁閉的,我們又如何觀察它?
可以用別的粒子來作為道具,測量道具就是——電子。
電子在加速器上獲得巨大的速度,直接深入到粒子的內部可以探測到原子核的深處,這樣原子核內部結構的誇克就可以和電子發生相互作用,當我們從外面看到了電子的行為的時候,就可以反向推測出原子核內部的誇克的性質和結構。這就好比說原子核像一個核桃,核桃非常的堅硬,我們永遠沒有辦法把它打開,但是我們可以把它放在CT掃描儀上,通過斷層掃描看到裡面的情況,大體上誇克就是這樣被識別出來的。
除了「誇克禁閉」,誇克還有一些非常奇異的地方
「誇克」具有分數電荷,也就是說上面帶的電荷單位不是整數的,不是1或者-1,而是1/3、2/3這樣的分數單位。
「誇克」按照質量從大到小排列一共有6種類型,物理學家把它稱為「味·flavor」,大家不要誤會,不是日常生活當中吃到的苦、辣、酸、甜、鹹,這只是一個比喻而已,用它來形容誇克的質量屬性。
「誇克」還有另外一種更加奇怪的屬性,物理學家們只好再去找一個詞來形容,最後他們找到的這個詞彙叫「顏色·color」。「誇克」是有色彩的,這個色彩同樣不是我們日常生活中看到的紅紅綠綠,它只是一種比喻,比喻 誇克的一類性質,術語上叫做「色荷」,引入色屬性就是為了來解釋或形象的比喻誇克的顏色禁閉。
誇克的類型
誇克有6種類型,其中哪一種類型還對應著一個反粒子,也就是「反誇克」,故此是12種情況,在這12種情況裡邊,人們發現有一些誇克可以組合在一起形成穩定的存在,而另外一些是無論如何不能放在一起的。
物理學家為了描述誇克分組結合的這種定向規律,就引入了「色荷」屬性,誇克的色有3種:紅、綠、藍,而它們的反粒子也就是「反誇克」對應的是反紅、反綠、反藍。在「色荷」力學當中,物理學家們規定誇克組合在一起,只有當它們的「色荷」最後濃縮的結果是白色或者說是無色的情況下才能夠存在。紅、綠、藍是三原色,所以當具有紅色色荷、藍色色荷和綠色色荷的三個誇克合在一起的時候,就可以認為它們是白色或者是沒有顏色,它們就能穩定的存在。
另外一種情形是正誇克和反誇克。正紅、反紅或者是正綠、反綠這樣的顏色組合在一起的時候也認為是無色的,只有無色的組合才可以最後存在,凡是搭配在一起出現了顏色誇克就不能存在,這叫做「誇克顏色禁閉」。
連接誇克的膠水
質子和中子是最穩定的由誇克結合形成的粒子,它們剛好都是由3個三原色誇克形成的穩定組,正是因為誇克不能顯示單獨的顏色,所以我們永遠無法從原子核當中取出一個獨立的誇克,誇克的微小和它蘊藏能量的巨大形成了一對矛盾,後來在此基礎上,物理學家們提出誇克的連接需要一種強力的膠水,這種膠水也是一種粒子,叫做「膠子」。
膠子就是強相互作用力的提供者,簡單地說就是它們把誇克綁在一起,膠子也有許多奇妙的特徵,比如一種叫做「膠子飽和」的現象,當兩個質子和兩個重離子以很高的能量碰撞的時候,在它們中間的某個區域會出現高密度的膠子,這是非常值得探測的,原因在於這個時候的膠子會表現出一種整體一致性的行為屬性,這一點就像是我們在早高峰或晚高峰搭乘地鐵一樣,整個車廂裡塞了人,這個時候一旦有一個人摔倒,周圍的人即使不挨著他,也可以感覺到他的動作,原因是大夥密密麻麻地緊密排列在一起,所有的動作都可以傳播開來,這樣的高密度的緻密性使得整個膠子區域像一塊玻璃,所以它也叫做「色玻璃凝聚態」,這正是實驗物理學家當前最關注的一個觀測現象,假如我們能夠在大型對撞機上找到這樣的凝聚態,這一定是一個偉大的發現,而這一點也是關於誇克最大的未解謎題之一。
當然說到謎題,大夥的心中一定還有一個問題想問的——都說誇克是最基本的粒子,那誰來保證這一點,誇克的內部還會不會存在更精細的結構呢?
對此我只能告訴您——物理學不知道答案。
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