质子的奥妙（上） 16

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统讲物理学系统本身，这里是第九季第16篇

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Hello，大家好，这里是Masir的物理学第九季专栏，接上篇，我们来聊聊关于质子的问题，今天我们来学习一个新的东西。

物理学家说，其实质子是一种深不可测的东西！

一个质子就是三个夸克，这是一个简单的画面。然而最近这些年，特别是今年，人们对质子有了全新的认识。教科书上的描写过时了。

物理学家怎么知道质子内部的结构是什么样的呢？做法是用一个电子去轰击它，把它撞碎，看看撞出来的东西都有什么。

这就是斯坦福直线加速器中心（SLAC）所做的事情。

以前条件有限，对撞电子的能量不算高，撞的时候都撞到组成质子的三个夸克中的某一个上。

你看看从质子中撞飞出来的碎片的运动轨迹，就知道它是哪种夸克。实验结果和夸克理论吻合地很好，这也是第一次证明了夸克的存在——这个发现还得了1990年的诺贝尔物理学奖。

事情似乎就这样了结了。

一个质子是由两个上夸克一个下夸克总共三个夸克组成，它们均分了质子的动量，互相联系着、非常灵动地存在于质子之中，像下面这张动图所示——

这就是当时物理学家心目中质子的标准形象。

但后来物理学家想，如果我们把电子的能量再加大一些力度，能不能撞出别的东西来呢？

1992年，德国的强子-电子环形加速器（HERA），把电子撞向质子的力度提高到了前面斯坦福直线加速器的一千倍。

它做了很多对撞实验，一直做到2007年。很多对撞结果跟斯坦福是一致的，但有些时候，电子会撞到一个动量很低的夸克身上。

质子中那三个夸克的动量都很高，这个动量很低的夸克是从哪来的呢？

物理学家想一想也理解了，那是一个“无中生有”的夸克。

前面我们说了，夸克之间是通过胶子传递相互作用的——这个理论叫「量子色动力学（QCD）」。

量子色动力学认为，胶子在从一个夸克走向另一个夸克的过程中，有时候会*凭空*获得某种高能量。

获得高能量之后，一个胶子就有可能变成一个夸克和这个夸克的反物质对：比如胶子变成了一个上夸克和一个反的上夸克。

这一正一反两个夸克会马上因为互相接触而湮灭掉——因为正反物质相遇总是会发生湮灭——回归胶子。

那你说胶子怎么能凭空获得能量呢？

难道能量不应该是守恒的吗？这就是一种量子力学效应了。

量子力学里的能量具有不确定性，有时候就是可以突然变大一点或者变小一点 。这也是「量子隧穿」和原子核衰变的原理，甚至有可能宇宙起源也是因为真空中的某处突然多了一点点能量。

所以胶子有时候会凭空变出来两个夸克。这两个夸克既然是凭空变出来的，动量自然都很低。而电子轰击质子的时候，有时候恰好就轰击到质子中凭空变出来、还没有来得及湮灭的某个夸克上。

这样我们的质子图像就得变一变了。以前是三个夸克，现在是三个夸克外加一系列由胶子凭空变出又立即湮灭的夸克——

上面这两张图中只画了几对凭空变出的夸克，这个太不真实了。

德国HERA的实验表明，质子内部何止是偶尔出现几对凭空变出的夸克——那其实是一片夸克的海洋！

质子中随时随地都在不断往外冒夸克，不断地产生和湮灭。只要入射电子能量足够高，你看到的是像下面这样像放烟花一样到处都在喷夸克的质子形象——

电子能量再高一点，看到的是下面这样一片夸克之云……

这个新图像确实是在以前物理学家的意料之外，但也算是情理之中。我们能猜到胶子会变成正反夸克对，但没想到如此普遍，更没想到凭空产生的夸克能在局部形成某种切实的存在，以至于被电子撞到。

那些由胶子凭空变出来的正反夸克们，被称之为海夸克。一般来说，既然胶子额外获得的能量有限，海夸克都是质量比较低的夸克，最常见的就是出现一对上夸克或者下夸克，这两种夸克的质量最低 。

偶尔可能会出现奇夸克，奇夸克的质量就比较重了，是质子总质量的10%，这个概率按理说应该很低。

质子内部有个波涛翻滚的夸克之海，但总体上应该是比较平静的……吧？

好，今天就先这样啦，下一讲继续。

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