質子內部的驚人壓力

桑子

我們知道，原子核由質子和中子組成，質子和中子可以繼續分割為夸克。以質子為例，它由3個夸克組成——2個上夸克、1個下夸克，夸克通過強核力結合在一起，異常的穩定。然而，質子的內部結構一直是個謎團。顯然，這些夸克既緊密結合著，又存在強大的排斥力，以免它們坍塌成一個點。

為了了解質子和夸克的性質，近日，美國托馬斯·杰斐遜國家加速器研究所的科學家首次測量了質子內部夸克之間的相互作用力。測量質子內部的壓力原本是不可能完成的任務，它的實現得益于兩種理論，一種叫做“廣義部分子分布”，它可以描述出質子內部結構的三維圖像；另一種叫做“引力形狀因子”，它可以測得質子內部夸克的能量和動量。結合這兩種理論，科學家只要用高能電子撞擊質子，并且不斷加速電子直到電子可以穿刺質子，通過對散射的電子和生成的光子的觀察，就能判斷夸克在質子內的受力情況。

實驗結果發現，質子的內部是一個類似于高壓鍋的環境，其外圍存在著一股較微弱的、范圍較大的、方向朝內的壓力，但是在質子的中心處，夸克竟然承受著1035帕斯卡的壓力，這個壓力是地球大氣壓的1030倍！我們知道，中子星是宇宙中密度僅次于黑洞的天體，超新星爆炸后質量不足以產生黑洞時，其中的一種歸宿就是塌縮成中子星。中子星物質的密度平均為每立方厘米1011次方千克，一小勺中子星物質的質量幾乎等于珠穆朗瑪峰的重量。如今，實驗顯示出質子中心處的壓力竟然是中子星核心處壓力的10倍，壓力的數量級之大遠超科學家的想象。接下來，研究人員將繼續研究質子和夸克，希望能夠揭示微觀世界更多的秘密。