质子是个球，里面有三个夸克？事实远不止于此
2023/4/5 9:27:52 无上科学信仰

    

    

     在很多人的认知中，微观世界就是由一个个的“球”所组成的。

     原子是个球，它的中心是原子核，周围环绕着电子。在原子核内有两个东西，一个是质子，一个是中子，质子是一个球，中子也是一个球，而在质子这个球中住着三个东西，两个上夸克和一个下夸克。这种认知并没有错，因为高中物理老师就是如此向我们描述的，这种描述让纷繁复杂的微观世界变得直观而简单，使我们更容易理解，但简单也有后遗症，那就是失真，而真实的微观世界比我们所知的复杂得多，质子并不是一个球，里面也不止三个夸克。

    

     质子由三个夸克组成，这种说法最早来自于物理学家盖尔曼和茨威格在1964年所提出的假设，而这个假设不久之后就得到了证实。

     1967年，斯坦福直线加速器中心的研究人员通过发射电子来轰击质子，结果发现电子会从质子的类点碎片反弹回来，而这个“类点碎片”实际上就是夸克。之后，研究人员又发现，发射电子的强度会影响到电子撞击质子之后的反弹方式，通过大量的数据对比和分析之后，最终确认了夸克在质子内部以不同的动量摇摆。

    

     在反复的碰撞实验之后，科学家们发现质子的动量主要集中在几个夸克中，而这些受到碰撞的夸克携带了质子总动量的三分之一，这一结论与盖尔曼和茨威格的假设实现了吻合，质子似乎的确是由三个夸克所构成的。

     在盖尔曼和茨威格的假设中，微观世界不仅简单，而且还十分有序，每个上夸克带有2/3个正电荷，而下夸克带有1/3个负电荷，所以质子的总电荷为+1。这个假设看起来十分简明，但却与事实并不相符。

    

     粒子具有一种内禀性质，就是自旋，简单来讲就是一种由内禀角动量所引起的内禀运动，而质子就拥有半个单位的自旋。

     按照盖尔曼和茨威格的假设，如果质子中只有三个夸克，那么在考虑自旋的情况下，两个上夸克的半个单位减去下夸克的半个单位，就应该等于整个质子的半个单位，可实际上却不是这样。根据1988年欧洲μ子合作组的报告，夸克自旋加起来之后远远小于1/2。更让人难以置信的是，两个上夸克和一个下夸克的质量仅占质子总质量的1%左右。

    

     这说明了什么呢？说明了质子之内不止三个夸克，而且远远不止。

     那么如果质子不是一个球里装了三个夸克，那它到底应该是什么样子的呢？一种萌发于20世纪70年代的量子理论很好地说明了这一问题，该理论认为夸克是一种被胶子系在一起的粒子，每种夸克和每种胶子都有三种类型的色荷，这些带色荷的粒子自然地相互拉扯并形成的一团物质就是质子，这种量子理论就被称之为量子色动力学，简称QCD。

    

     QCD的决定性特征是由戴维·格罗斯、弗兰克·维尔切克以及戴维·波利策于1973年所发现的，他们也因为这一发现而斩获了2004年的诺贝尔奖。

     既然质子是一团胶子云，为什么在碰撞实验中又会显现出稳定的三夸克结构呢？在温和碰撞实验中，质子内部的结构的确如同相互之间保持距离的三个夸克一样，但如果将电子轰击质子的强度大幅放大，实验结果就会截然不同，此时的质子结构就如同一团胶子云。也就是说质子的复杂程度远超我们的想象，通过不同的探测方式，我们能够看到质子不同的形态。就是这样一个小小的质子，我们研究了一个多世纪，至今还没有完全理解，而这恰恰也是科学探索的魅力所在。

    

    

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