質(zhì)子究竟是由什么組成的？夸克也許不是唯一

文/袁玉剛 圖/來自互聯(lián)網(wǎng)

原子是由質(zhì)子、中子和電子組成的。質(zhì)子究竟是由什么組成的？質(zhì)子還能再分嗎？

在《莊子》內(nèi)篇的《天下篇》中，莊子說：“一尺之棰，日取其半，萬世不竭。”

30年代，物理學(xué)家實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子磁矩為5.6個(gè)單位核磁子，中子磁矩是-3.82個(gè)單位核磁子。說明質(zhì)子和中子都是旋轉(zhuǎn)的可分割的粒子。

1955年1月15日，毛澤東在書記處擴(kuò)大會(huì)議上對錢三強(qiáng)說：“以哲學(xué)的觀點(diǎn)來說，物質(zhì)是無限可分的。質(zhì)子、中子、電子也應(yīng)該是可分的。一分為二，對立統(tǒng)一嘛!”

1955年，日本物理學(xué)家坂田昌一提出強(qiáng)相互作用粒子的復(fù)合模型，即坂田模型。

1964年，美國物理學(xué)家蓋爾曼等人提出了基本粒子結(jié)構(gòu)的“夸克模型”；

1965年，我國粒子物理學(xué)家們提出了基本粒子的洋蔥狀“層子模型”。

20世紀(jì)70年代末，在美國夏威夷舉行的第七屆粒子物理專題國際會(huì)議上，諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者、美國著名粒子物理學(xué)家格拉肖建議：當(dāng)層子之類的粒子一旦被發(fā)現(xiàn)并得到證實(shí)，應(yīng)該把它命名為“毛粒子”。

1968年，科學(xué)家通過電子-質(zhì)子深度非彈性實(shí)驗(yàn)觀測到了氫原子核內(nèi)的三個(gè)電子廣角散射中心，即存在3個(gè)小的點(diǎn)狀物體。

科學(xué)家們把這3個(gè)點(diǎn)狀物叫夸克?？茖W(xué)家們由此提出一個(gè)夸克模型，有36種夸克和8種膠子。質(zhì)子由兩個(gè)上夸克u、一個(gè)下夸克d和膠子組成，中子由一個(gè)上夸克u、兩個(gè)下夸克d和膠子組成。

圖1 夸克

電子-質(zhì)子深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)表明了質(zhì)子內(nèi)的部分子具有“漸進(jìn)自由”的性質(zhì)。即部分子之間越接近，強(qiáng)作用力越弱。當(dāng)部分子之間非常接近時(shí)，強(qiáng)作用力非常弱，部分子完全可以成為自由粒子。反之，部分子之間距離越大，強(qiáng)作用力就越強(qiáng)。

夸克理論對稱、和諧、優(yōu)美，非常好看、好用。但不管科學(xué)家用什么方法，至今都沒有發(fā)現(xiàn)自由存在的夸克。

為了解釋這個(gè)難題，科學(xué)家們又提出了個(gè)“夸克禁閉”理論。依據(jù)夸克之間的間隔越大，彼此作用力就越大；間隔越小，彼此作用力越小的特點(diǎn)?？淇瞬荒軉为?dú)存在，只能組成復(fù)合粒子。

莊子和毛澤東的物質(zhì)可分的觀點(diǎn)是哲學(xué)觀點(diǎn)。是正確的。但科學(xué)家們手里的工具是實(shí)實(shí)在在的。總有一天，工具的尺寸會(huì)大于要分割的物質(zhì)的尺寸，無法分割了，無法日取其半?？茖W(xué)家們用高速電子撞擊質(zhì)子固定靶，打碎質(zhì)子、中子，但得到的碎片與質(zhì)子一樣大，看不到自由夸克。怎么辦？

科學(xué)家就是科學(xué)家。他們想到了新的辦法，用粒子對撞打碎質(zhì)子。

1961年，兩臺(tái)電子對撞機(jī)投入運(yùn)行。1974年，在美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室和美國斯坦福直線加速器中心的正負(fù)電子對撞機(jī)SPEAR上，丁肇中教授和B.里希特同時(shí)發(fā)現(xiàn)J/ψ粒子。它是由粲夸克組成的。

1977年，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)底夸克。

1995年，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在CDF中發(fā)現(xiàn)頂夸克（進(jìn)行10的12次方次質(zhì)子對撞，1.6×10的7次方次有用，在12個(gè)候選者中有6個(gè)事例證明是頂夸克）。

好像夸克的一切問題都解決了。然而，夸克依然神龍見首不見尾。想想格爾曼的父親老格爾曼在1972年的第16屆高能物理國際會(huì)議上說的話，真有意思：“理論上，夸克在實(shí)驗(yàn)室中不需要真正可測量。此時(shí)，像磁單極子一樣，它們可以存在于想象中?！?/p>

難怪夸克一直找不到。在大海里撈針，即使撈出幾根針，能夠說明大海是由針組成的嗎？撞碎質(zhì)子產(chǎn)生的新粒子一定就是組成質(zhì)子的基本粒子嗎？質(zhì)子相撞產(chǎn)生了超子，能說質(zhì)子由超子組成嗎？

還是回頭來再看看質(zhì)子里那三個(gè)點(diǎn)狀物吧。也許一開始就出現(xiàn)偏差了。

2007年，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，中子在中心和外部邊緣各有一個(gè)負(fù)電荷，而中間是一個(gè)正電荷。這可以解釋為3個(gè)夸克，一個(gè)是上夸克，兩個(gè)是下夸克；也可以解釋為一個(gè)是質(zhì)子，一個(gè)是電子，另一個(gè)是同一個(gè)電子出現(xiàn)在另一個(gè)地方。這種結(jié)構(gòu)就是具有兩極的旋渦結(jié)構(gòu)，中間是黑洞，外圍是物質(zhì)。所以，中子衰變?yōu)橘|(zhì)子、電子、中微子和伽馬線。

中子與氕的不同主要在于中子里的電子時(shí)而在中心，時(shí)而在核內(nèi)邊緣，可以輕易從兩極逃逸；而氕的電子只能在核外，很難逃逸。

圖2 中子的衰變

質(zhì)子沒有了電子，但旋渦的結(jié)構(gòu)依然存在，旋渦力依然存在。這就是電荷。電荷是撕碎原子后原子旋渦力的體現(xiàn)，可以旋聚電子。電荷只能是整數(shù)，沒有分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，不論多大能量的強(qiáng)子對撞機(jī)，撞出來的粒子依然是帶有整數(shù)電荷的旋轉(zhuǎn)的粒子。所以，永遠(yuǎn)撞不出帶有分?jǐn)?shù)電荷的夸克。也許，這就是夸克禁閉的原因吧。楊振寧一直反對中國建設(shè)強(qiáng)子對撞機(jī)。我也反對，主要是我認(rèn)為夸克理論太玄虛了。老格爾曼都說“夸克在實(shí)驗(yàn)室中不需要真正可測量……它們可以存在于想象中?！奔热蝗绱耍瑸槭裁催€要興師動(dòng)眾，勞民傷財(cái)呢？

既然夸克的自旋是1/2，那么它的電荷就不會(huì)是分?jǐn)?shù)。盡管為了自圓其說，硬算出個(gè)分?jǐn)?shù)，但不能算是物理，只能是數(shù)學(xué)。數(shù)學(xué)可以幫助我們理解、發(fā)展物理，但不能獨(dú)尊數(shù)學(xué)，更不能舍本逐末。

我的質(zhì)子模型是個(gè)旋渦：中間是黑洞，外圍是物質(zhì)的吸積盤；這個(gè)旋渦帶正電荷，具有兩極。吸積盤上的物質(zhì)可以分層，像中國物理學(xué)家們提出的洋蔥狀的層子模型。如果你還是理解不了，就看看中國的漢字“〇”。用毛筆書寫時(shí)，筆尖發(fā)叉，就成了多層。

圖3 黑洞

科學(xué)家們說：強(qiáng)作用力是一種短程力，當(dāng)距離小于0.8fm時(shí)，強(qiáng)作用力為強(qiáng)排斥力；當(dāng)距離大于0.8fm時(shí)，強(qiáng)作用力為較強(qiáng)的吸引力；當(dāng)距離為1.5fm時(shí)，強(qiáng)作用力為較弱的吸引力。質(zhì)子是強(qiáng)作用力形成的。0.8fm內(nèi)顯示出強(qiáng)排斥力，把物質(zhì)排斥到外圍，沒有了物質(zhì)，所以是黑洞；0.8fm外顯示出較強(qiáng)的吸引力，所以形成了物質(zhì)吸積盤。你要拉開、拉斷吸積盤，越向外越困難。要向里推吸積盤，吸積盤可能有一部分可以向外移動(dòng)。這就是質(zhì)子“漸近自由”的起因。

氫原子核內(nèi)的三個(gè)小的點(diǎn)狀物體是什么呢？可能是物質(zhì)吸積盤及其兩個(gè)物質(zhì)旋臂。中子的電子就位于其中一個(gè)旋臂上。

圖4 雙旋臂旋渦具有三部分

我的質(zhì)子旋渦模型比夸克簡單得多，也符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。用電子與質(zhì)子撞擊，不是被吸住就是被撞飛，或者撞碎。碎片會(huì)是介子或超子。用質(zhì)子與質(zhì)子撞擊，碎片會(huì)是介子或超子。這些介子和超子，哪個(gè)帶分?jǐn)?shù)電荷？沒有一個(gè)！這些介子和超子也不是組成質(zhì)子的次粒子。那些猶抱琵琶半遮面的夸克，為什么就一定是質(zhì)子的一部分呢？

質(zhì)子是相當(dāng)穩(wěn)定的基本粒子。稍縱即逝的粒子未必是基本粒子。那些看起來花里胡哨、說起來頭頭是道、上窮碧落下黃泉兩處茫茫皆不見的夸克更不是什么基本粒子。