擁抱夸克時代

陳壯叔

對物質尋根究底是宇宙學家一直在做的一件事。他們一直想知道，創生大爆炸后出現的物質究竟是什么形態。科學界迄今還不能制造如此高的能量，以創造最初的物質。一些科學家開始放慢腳步，去追蹤已知基本粒子的底細。

我們現在知道，基本粒子有很多種。本文要說的，是組成物質（指化學元素， 如氫、氮……）的基本粒子。這也是古代哲學家的話題，可以追溯到很久以前。約公元前450年，古希臘哲學家德謨克利特說，世界上的一切物質皆由一些極微小的基本粒子組成，他稱此為原子，而原子就不能再分下去了。

近代物理學也把原子作為物質的最小單位，并認為它由原子核和電子構成。20世紀30年代，人們了解到原子核內還含著質子和中子。彼時，人們把這些粒子稱為基本粒子。20世紀6 0年代，科學家在一系列實驗中感到質子可能有內部結構。在高能電子的轟擊下，質子內部的電荷具有一定的分布圖，其半徑在0.7×10-13厘米的線度上。1964年，蓋爾曼和茨威克正式從理論上計算出這種深層次物質的存在，將其取名為夸克，它帶有分數電荷。

之后，理論界確認，夸克共有6種，它們是上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。參與物質組成的主要是上夸克和下夸克。

地球上有100多種元素，最簡單的是氫，氫在大爆炸后不久就生成了，而較重的元素是在恒星核燃燒和超新星爆發時出現的。氫的結構最簡單，原子中心是一個原子核，核內有一個質子，圍著核有一個電子。而其他元素的原子核內皆有質子和中子，前者呈電正性，后者為電中性，兩者統稱為核子。

現在，一些科學家對核子抱有很大希望。他們說，抓住它的復雜性，我們就能解釋物質宇宙是如何存在和運行的，進而進入高難度技術領域，諸如新型激光和儲能材料研究等領域。

原子核是原子中最厚實的部分，質子和中子除了電性的不同外，在質量上也略有區別，前者為938.3兆電子伏特，后者略大，為939.6兆電子伏特。二者的質量相差甚小，僅

0.14%，而正是這微小的差異，使得宇宙百態繁復。質子配上了電子，形成電中性、帶結構的原子，沒有讓世界變成一個無特性的中子半流體。

粒子物理學家斯克雷奇達說：“若質子重于中子，那么整個宇宙將變得大不一樣。質子是穩定的，故原子和我們是穩定的。”而這跟它的質量有關。目前我們認為，質子的半衰期至少是1032年，而宇宙迄今的年齡也不過1010年。也就是說，宇宙中沒人見過一個質子的衰變。

如果質子與中子的質量之差稍大一點，就會有更多的中子參與形成更復雜的重元素，就將遇到難以克服的能量屏障，使重元素無法形成，宇宙將只有氫元素。

若兩者的質量之差稍小一點，那么在恒星形成之前，氫將自發地變成更無生氣的氦，使得宇宙成為一個呆滯的世界。

德國理論物理學家福多爾說，所有這些導致了一個必然的結論，即質子和中子的質量若不是像現在這樣，那么人類將不會存在。

我們已知核子并非基本粒子。質子是由兩個上夸克（帶2/3電荷）和一個下夸克（帶負1/3電荷）組成，故帶一個正電荷；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，故呈電中性。下夸克略重于上夸克，但我們無法據此解釋質子和中子的質量差。這兩種夸克的質量都很小，我們很難確切地說出差額究竟是多少，因為夸克從未被單獨看到過。總的來說，這些夸克加起來，只占質子、中子質量的很小一部分。

像所有的基本粒子那樣，夸克也是通過黏性的、漫游于整個空間的希格斯場（由希格斯玻色子產生）的作用而獲得質量的。但要解釋清楚由多個夸克組成的物質，還得加上別的方法。

最終的答案來自量子色動力學（QCD）。 就像帶電粒子帶有電荷，決定了它對電磁力的反應，夸克帶有色荷（這個“色”并非我們日常所說的顏色，只不過借用此詞表達夸克的一種屬性），可以跟強核力相互作用。QCD 就是描述強核力的基本理論。

帶電粒子是通過相互交換無質量的光子而結合的，與之類似，帶色荷的夸克是通過相互交換膠子而組成物質（諸如質子、中子）的。膠子沒有質量但有能量，根據愛因斯坦的著名公式：E=mc2，其能量可變成多種夸克泡，通常總是處在質子或中子內。根據量子理論的測不準原理，這些額外的粒子不斷地從真空中躥出，又立即消失，一直處在這種狀態下。

在過去的40年中，物理學家一直試圖解開這個謎。他們提出了一種理論，稱晶格QCD，可以解釋核子的全盤運動，不過其數學計算十分復雜、費時。

研究在2008年出現了突破，科學家終于得出了兩個核子 的 質 量——936兆電子伏特，并了解了夸克的能量和膠子的相互作用，它們構成了核子質量的大部分。但這一計算還不十分精確，很難找出質子和中子的全部重要差別。

此外，這一計算還忽略了電荷效應。電荷是另一種能量，它同樣有質量。那些在核子中瞬息即逝的夸克和反夸克都帶有電荷，這對粒子的質量做了額外的貢獻。不將這些效應考慮進去，討論核子的質量問題就成了空談。韋爾切克說，討論某種復雜粒子的質量差，實在是無意義的模仿。筆者認為，既然核子是原子結構中最厚實的部分，故精確地說，不僅核子的質量是活的，所有原子的質量皆是活的、變動著的。

質子與中子的質量之差難以捉摸，解決此難題的方法不是QCD 方程，而是量子電動力學（QED）的方程，它是處理電磁相互作用的理論。最佳的辦法當然是把QCD 和QED 置于同一框架，可是這極困難，電磁場自身的能量無法直接計算出來。這個能量在晶格模擬中會變得無限大，其數學效果就是使方程無解。

福多爾等人付出了很大的努力，獲得了質子與中子的質量差。他們得出的數字跟其他理論計算值保持一致，雖然可能的誤差約有20%，但科學家仍然認為這是一個里程碑。

韋爾切克說，令人興奮的是，現在我們有能力去計算有關宇宙運行的、十分基礎的條件，過去我們做不到。巨大恒星的內部活動（諸如超新星爆發）第一次為宇宙播種了重元素。 我們無法把QED 和QCD 結合起來，就意味著我們無法指出第一批重元素產生的時標。而其產生的條件又十分極端，我們無法在實驗室內模擬。韋爾切克說：“如今我們有信心進行計算了。”

2012 年，大型強子對撞機發現了希格斯玻色子，但仍留下不少難題。諸如，創生大爆炸后，為何出現的物質多于反物質？為何質子和電子的電荷如此完美（一正一負），而前者結構復雜，后者卻很單一？福多爾的一位合作者說：“我們需要新的物理學，去尋找標準物理理論以外還隱藏著的東西。”

現在，大型強子對撞機再次啟動，去探索粒子在更高能標上的相互作用。科學界希望它能給出某種新事物的清晰信號，“但是人們不得不去了解這個新理論（指給出的新的信號的基礎”。

這聽上去有點夸張，但還是值得考慮的。要知道，現代技術就是來自我們對物質深層次的了解。一個世紀前，我們剛好抓住了原子，正是在對它了解的基礎上，我們發明了計算機和激光技術，進而洞悉了原子核，帶來了許多新技術，諸如核電站、原子彈等。

我們進入質子和中子的世界，意味著科學研究又深入了一個層面。在跟色荷的相互作用中，膠子更具激發性（與光子跟電磁力的相互作用相比），故它可能操作帶色荷粒子在原子尺度上產生更大能量。

膠子不像光子，它們自身可相互作用，彼此束縛在一個扭曲的能量柱之中。若我們能更為直接地駕馭它們，就可能獲得一種使用和儲藏能量的好方法。因建立QCD 理論而獲得了諾貝爾獎的韋爾切克說：“核子能把一大堆能量存入一個很小的空間。若我們能通過計算精確地模擬核化學實驗，而不是做碰巧能成功的實驗，就是很大的成功，這將把我們引向密集能量儲藏方面的探索。”

就今日而言，這些大多還是夢想，但至少物理學家已能顧及這些夢想。科學界認為，我們已經到了夸克時代！