拥抱夸克时代

陈壮叔

对物质寻根究底是宇宙学家一直在做的一件事。他们一直想知道，创生大爆炸后出现的物质究竟是什么形态。科学界迄今还不能制造如此高的能量，以创造最初的物质。一些科学家开始放慢脚步，去追踪已知基本粒子的底细。

我们现在知道，基本粒子有很多种。本文要说的，是组成物质（指化学元素， 如氢、氮……）的基本粒子。这也是古代哲学家的话题，可以追溯到很久以前。约公元前450年，古希腊哲学家德谟克利特说，世界上的一切物质皆由一些极微小的基本粒子组成，他称此为原子，而原子就不能再分下去了。

近代物理学也把原子作为物质的最小单位，并认为它由原子核和电子构成。20世纪30年代，人们了解到原子核内还含着质子和中子。彼时，人们把这些粒子称为基本粒子。20世纪6 0年代，科学家在一系列实验中感到质子可能有内部结构。在高能电子的轰击下，质子内部的电荷具有一定的分布图，其半径在0.7×10-13厘米的线度上。1964年，盖尔曼和茨威克正式从理论上计算出这种深层次物质的存在，将其取名为夸克，它带有分数电荷。

之后，理论界确认，夸克共有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。参与物质组成的主要是上夸克和下夸克。

地球上有100多种元素，最简单的是氢，氢在大爆炸后不久就生成了，而较重的元素是在恒星核燃烧和超新星爆发时出现的。氢的结构最简单，原子中心是一个原子核，核内有一个质子，围着核有一个电子。而其他元素的原子核内皆有质子和中子，前者呈电正性，后者为电中性，两者统称为核子。

现在，一些科学家对核子抱有很大希望。他们说，抓住它的复杂性，我们就能解释物质宇宙是如何存在和运行的，进而进入高难度技术领域，诸如新型激光和储能材料研究等领域。

原子核是原子中最厚实的部分，质子和中子除了电性的不同外，在质量上也略有区别，前者为938.3兆电子伏特，后者略大，为939.6兆电子伏特。二者的质量相差甚小，仅

0.14%，而正是这微小的差异，使得宇宙百态繁复。质子配上了电子，形成电中性、带结构的原子，没有让世界变成一个无特性的中子半流体。

粒子物理学家斯克雷奇达说：“若质子重于中子，那么整个宇宙将变得大不一样。质子是稳定的，故原子和我们是稳定的。”而这跟它的质量有关。目前我们认为，质子的半衰期至少是1032年，而宇宙迄今的年龄也不过1010年。也就是说，宇宙中没人见过一个质子的衰变。

如果质子与中子的质量之差稍大一点，就会有更多的中子参与形成更复杂的重元素，就将遇到难以克服的能量屏障，使重元素无法形成，宇宙将只有氢元素。

若两者的质量之差稍小一点，那么在恒星形成之前，氢将自发地变成更无生气的氦，使得宇宙成为一个呆滞的世界。

德国理论物理学家福多尔说，所有这些导致了一个必然的结论，即质子和中子的质量若不是像现在这样，那么人类将不会存在。

我们已知核子并非基本粒子。质子是由两个上夸克（带2/3电荷）和一个下夸克（带负1/3电荷）组成，故带一个正电荷；中子由两个下夸克和一个上夸克组成，故呈电中性。下夸克略重于上夸克，但我们无法据此解释质子和中子的质量差。这两种夸克的质量都很小，我们很难确切地说出差额究竟是多少，因为夸克从未被单独看到过。总的来说，这些夸克加起来，只占质子、中子质量的很小一部分。

像所有的基本粒子那样，夸克也是通过黏性的、漫游于整个空间的希格斯场（由希格斯玻色子产生）的作用而获得质量的。但要解释清楚由多个夸克组成的物质，还得加上别的方法。

最终的答案来自量子色动力学（QCD）。 就像带电粒子带有电荷，决定了它对电磁力的反应，夸克带有色荷（这个“色”并非我们日常所说的颜色，只不过借用此词表达夸克的一种属性），可以跟强核力相互作用。QCD 就是描述强核力的基本理论。

带电粒子是通过相互交换无质量的光子而结合的，与之类似，带色荷的夸克是通过相互交换胶子而组成物质（诸如质子、中子）的。胶子没有质量但有能量，根据爱因斯坦的著名公式：E=mc2，其能量可变成多种夸克泡，通常总是处在质子或中子内。根据量子理论的测不准原理，这些额外的粒子不断地从真空中蹿出，又立即消失，一直处在这种状态下。

在过去的40年中，物理学家一直试图解开这个谜。他们提出了一种理论，称晶格QCD，可以解释核子的全盘运动，不过其数学计算十分复杂、费时。

研究在2008年出现了突破，科学家终于得出了两个核子 的 质 量——936兆电子伏特，并了解了夸克的能量和胶子的相互作用，它们构成了核子质量的大部分。但这一计算还不十分精确，很难找出质子和中子的全部重要差别。

此外，这一计算还忽略了电荷效应。电荷是另一种能量，它同样有质量。那些在核子中瞬息即逝的夸克和反夸克都带有电荷，这对粒子的质量做了额外的贡献。不将这些效应考虑进去，讨论核子的质量问题就成了空谈。韦尔切克说，讨论某种复杂粒子的质量差，实在是无意义的模仿。笔者认为，既然核子是原子结构中最厚实的部分，故精确地说，不仅核子的质量是活的，所有原子的质量皆是活的、变动着的。

质子与中子的质量之差难以捉摸，解决此难题的方法不是QCD 方程，而是量子电动力学（QED）的方程，它是处理电磁相互作用的理论。最佳的办法当然是把QCD 和QED 置于同一框架，可是这极困难，电磁场自身的能量无法直接计算出来。这个能量在晶格模拟中会变得无限大，其数学效果就是使方程无解。

福多尔等人付出了很大的努力，获得了质子与中子的质量差。他们得出的数字跟其他理论计算值保持一致，虽然可能的误差约有20%，但科学家仍然认为这是一个里程碑。

韦尔切克说，令人兴奋的是，现在我们有能力去计算有关宇宙运行的、十分基础的条件，过去我们做不到。巨大恒星的内部活动（诸如超新星爆发）第一次为宇宙播种了重元素。 我们无法把QED 和QCD 结合起来，就意味着我们无法指出第一批重元素产生的时标。而其产生的条件又十分极端，我们无法在实验室内模拟。韦尔切克说：“如今我们有信心进行计算了。”

2012 年，大型强子对撞机发现了希格斯玻色子，但仍留下不少难题。诸如，创生大爆炸后，为何出现的物质多于反物质？为何质子和电子的电荷如此完美（一正一负），而前者结构复杂，后者却很单一？福多尔的一位合作者说：“我们需要新的物理学，去寻找标准物理理论以外还隐藏着的东西。”

现在，大型强子对撞机再次启动，去探索粒子在更高能标上的相互作用。科学界希望它能给出某种新事物的清晰信号，“但是人们不得不去了解这个新理论（指给出的新的信号的基础”。

这听上去有点夸张，但还是值得考虑的。要知道，现代技术就是来自我们对物质深层次的了解。一个世纪前，我们刚好抓住了原子，正是在对它了解的基础上，我们发明了计算机和激光技术，进而洞悉了原子核，带来了许多新技术，诸如核电站、原子弹等。

我们进入质子和中子的世界，意味着科学研究又深入了一个层面。在跟色荷的相互作用中，胶子更具激发性（与光子跟电磁力的相互作用相比），故它可能操作带色荷粒子在原子尺度上产生更大能量。

胶子不像光子，它们自身可相互作用，彼此束缚在一个扭曲的能量柱之中。若我们能更为直接地驾驭它们，就可能获得一种使用和储藏能量的好方法。因建立QCD 理论而获得了诺贝尔奖的韦尔切克说：“核子能把一大堆能量存入一个很小的空间。若我们能通过计算精确地模拟核化学实验，而不是做碰巧能成功的实验，就是很大的成功，这将把我们引向密集能量储藏方面的探索。”

就今日而言，这些大多还是梦想，但至少物理学家已能顾及这些梦想。科学界认为，我们已经到了夸克时代！