微观到结合夸克构成质子的“强核力”,它非常有意思

来源:新浪科技发布时间:2019-05-07

超强强核力的存在,导致我们永远也不可能看见一个孤立存在的夸克。

微观到结合夸克构成质子的“强核力”,它非常有意思

质子由三个夸克构成。每个夸克都有自己的“色荷”。它们由强核力结合在一起

据国外媒体报道,引力、电磁力、弱核力、强核力----四种已知自然力都有属于自己的独特位置,每一种力都在我们的生活中掌管着一片小天地。虽然地球上是引力、光的电磁力在日常生活中发挥主要作用,但两种核力也扮演了关键角色——只不过作用尺度非常、非常小而已。

有多小呢?想象你的身体膨胀到了整个太阳系那么大,你的双手在奥尔特云中摇摆,八大行星则飘在你的肚脐上方。你的身体太过庞大,电信号要花上几周、甚至数月时间,才能穿过你的整个神经系统。即使做再简单的手势,动作也极其缓慢。

这就是你现在的大小(大概一米多)与10——15米之间的差距。现在让我们反过来想。想象一个极小的尺度,对这个尺度而言,你的身体就像太阳系那么大。在这个尺度看来,你的动作也慢得不可思议。这个极小的尺度单位名叫“费米”(femtometer),相当于10——15米。而这就是原子核的尺度。

质子内部

从我们的视角来看,很容易把质子想成一个单独的粒子,外面有一层由正电荷和质量构成的外壳,能像台球一样弹来撞去。但事实上,质子由三个更小的粒子构成,而这三个粒子有一个有趣的名字:夸克。自然界中一共有六种夸克,但就质子而言,我们只需要关注其中两种,分别叫上夸克和下夸克。

刚才说到,质子由三个夸克构成,包括两个上夸克和一个下夸克。这些夸克相互结合在一起,形成一支团队,而这支“团队”就是我们所说的质子。

然而,这样根本说不通。

两个上夸克所带的电荷完全相同(因为它们属于同一类粒子),本应相互排斥才对,怎么能如此牢固地结合在一起呢?

此外,我们通过量子力学得知,两个夸克无法同时处于同一种状态,因此不可能让两个夸克同时以同一种方式结合在一起,也不可能让它们以这种方式共存。然而不知何故,这两个夸克不仅能“忍受”对方的存在,甚至似乎还很喜欢对方的“陪伴”。

到底发生了什么事情呢?

不一样的“色彩”

上世纪五六十年代,物理学家开始意识到,质子并不是最基本的粒子,它还可以分解成更小的部分,所以他们开展了大量实验,并提出了多种理论。结果,他们先是发现了夸克的存在,然后又遇到了上述难题。

肯定有某种东西将这三个夸克结合在了一起,并且它的力量非常、非常强大,是一种全新的自然力。

这就是所谓强相互作用力

这种假设出的强相互作用力通过简单的蛮力解决了夸克共存的问题。你们无法同时处于同一种状态,所以不愿意待在一起是吗?没办法,强相互作用力会强迫你们俩待在一起,这样一来,问题就解决了。

此外,每一种力都有一个对应的连接点,就像一只钩子一样。这能帮你判断这种力对你造成了多大的影响。对电磁力而言,这个连接点就是电荷;对引力而言是质量;而对强核力而言,物理学家也得找出一种对应的“钩子”。最终,物理学家选定了“色荷”(color)这个词。

因此,假如你、或者你知道的某个粒子拥有这种名叫“色荷”的性质,你就能感受到强核力。你的色荷可以是红色、绿色、或蓝色(还有“反红色”、“反绿色”和“反蓝色”,因为生命必定不会那么简单)。要形成一个像质子那样的粒子,所有夸克的色荷加在一起必须为白色。因此,如果一个夸克是红色,另一个是绿色,最后一个就必定是蓝色。色荷的具体分配情况并不重要(事实上,每个夸克的色荷也会不断变化),重要的是,所有夸克的色荷加在一起必须是白色,这样强核力才能发挥作用。

有了色荷这种新性质,质子内部的夸克就可以同时处于同一种状态了。因为有了色荷,两个夸克就不算完全相同,毕竟它们各自的色荷不一样。

超级强度

想象一下,你拿着两把小小的钳子,夹住质子中的两个夸克。你有锻炼的习惯,所以你的力气可以胜过强核力。

但强核力有个奇怪的性质:它的强度并不会随着距离的增大而减小。而其它力都会如此,比如引力和电磁力。但强核力的强度却始终如一,无论夸克之间相距多远,都不会有所减弱。

因此,你要想将这些夸克掰开,就要不停加入更多的能量,才能维持它们的分离状态。你加入的能量越来越多,最终积累了足够多的能量,以致于夸克之间的真空中又诞生了新粒子、新夸克……

而这些新夸克又会立即找到“小伙伴”,彼此结合到一起。你花了半天工夫,出了一身大汗,最后还没来及把两个夸克掰开多远,这一切就会功亏一篑。等你以为自己总算把两个夸克掰开之后,它们已经找到了新伙伴、建立起了新的结合关系。这一效应叫做“夸克约束”,强核力实在太过强大,导致我们永远也不可能看见一个孤立存在的夸克。

而我们永远也无从得知这个夸克的“颜色”。真是遗憾。(叶子)


扫码加蝌蚪五线谱微信