奇异夸克

基本粒子如此之多，难道它们真的都是最基本、不可分的吗？近40年来大量实验实事表明至少强子是有内部结构的。1964年盖尔曼提出了夸克模型，认为介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由三个夸克组成。他因此获1969年物理奖。原子是由原子核和电子构成的，原子核是由质子和中子构成的，质子和中子是由什么构成的呢？这的确是轮中之轮！这些新发现的物质的基本构件构成了质子和中子，当时还没有名称。盖尔—曼于是便杜撰了一个名称——夸克。而这名称还真的就这么叫上了。强子是由夸克构成的。古希腊人认为，一切物质都是由为数不多的基本粒子（即他们所谓的“原子”）构成的。这一伟大的原理已被事实证明不那么好理解。基本粒子是否就是夸克？难道夸克也是复合体吗？我们一会儿再来讨论这个问题。夸克以两种构型附着在一起。一种构型是两个夸克附在一起，另一种构型是三个夸克附在一起。两个夸克在一起就构成了介子，三个夸克在一起就构成了重子。夸克也有量子能级。能够通过吸收能量而受激进入较高的级位。受激的强子看上去与其他的强子一样，于是，很多先前被认为是独立的粒子现在被看作是单个夸克结合的受激状态。为了解释所有已知的强子，就必须设想夸克不止一种。在20世纪70年代初，人们设想有三种“味道”的夸克。这三种夸克被异想天开地称作“上”、“下”、“奇”。后来，出现了更多的强子，又多出了第四种夸克，即“粲”夸克。近来，出现了更多的粒子，人们认为还得有另外两种夸克：“顶”夸克和“底”夸克。现在，很多种粒子作用都可以借助详细的夸克计算获得系统的了解。夸克理论的基本预设是，夸克本身是真正浑然一体的基本粒子，是一种象点一样的物体，没有内部成分。在这方面，夸克颇象轻子，因为轻子不是由夸克组成的，它们本身似乎就是基本粒子。事实上，夸克和轻子之间有着自然的对应，使人们获得意想不到的机会得以洞见大自然的运作。夸克和轻子之间的系统联系见下面的表1。表右边一栏是夸克的味道，左边是已知的所有轻子。要记住，轻子感受到的是弱力，而夸克感受到的是强力。轻子和夸克之间还有一个区别是，轻子或是不带电，或是只带1个单位的e799bee5baa6e997aee7ad94e58685e5aeb931333433623234电荷；而夸克则带3分之1或3分之2单位的电荷。尽管轻子与夸克有着如许的差别，但二者之间存在着深刻的数学对称，使轻子和夸克在上面的图表中有了逐层面的对应。第一个层面只有四种粒子：上、下夸克、电子及电中微子。奇怪的是，一切普通的物质竟全是这四种粒子构成的。质子和中子是由3个3个的夸克组成的，而电子只是充任构成物质的一种亚原子粒子。中微子只是跑进宇宙里，一点也不参与物质的大体构造。就我们所知，假如其他的粒子都突然消失了，只要有这四种粒子，宇宙就不会有多大变化。亚原子粒子可分为两大类：轻子和夸克。夸克没有被发现单独存在，而是两个或三个地在一起。夸克的电荷是分数的。一切普通的物质都是由Ⅰ层面的粒子构成的。Ⅱ层面和Ⅲ层面似乎是Ⅰ层面的简单复制，其中的粒子是高度不稳定的。可能尚有未发现的层面。下面一个层面的粒子似乎就是第一个层面的复制，只不过较重而已。第二个层面的粒子都极不稳定（中微子例外），它们所构成的各种粒子很快就衰变为层面Ⅰ的粒子。第三个层面的粒子也是这样。于是就必然产生这样的问题：层面Ⅰ之外的其他粒子有什么用处呢？为什么大自然需要它们？在形成宇宙的过程中，它们扮演了什么角色？它们是多余的赘物？或者，它们是某种神秘的、现在尚未完全明了的过程的一部分？更为令人不解的问题是，随着将来能量越来越高的粒子加速器的出现，是否也只有这三个层面的粒子？是否会发现更多的或无穷多的层面？还有一种复杂的情况加深了我们的不解。为了避免与量子物理学的一个基本原则相冲突，我们必须设想每一种味道的夸克实际上有三种不同的形式，即人们所说的“颜色”。任何一个给定的夸克都必须被看作是某种多层电镀（比喻说法）的叠加，不断地闪现出（又是一个比喻说法）“红”、“绿”、“蓝”的颜色。这样一来，一切又看上去象是乱了套的动物园了。但是，收拾局面的方法就在眼前。对称又来救驾了。不过，这一次的对称，其形式更微妙，更深奥，怪不得被人们称作超对称。为了理解超对称，我们就得说说物质基本结构分析的另一个大线索：力。不管粒子动物园有多么纷坛复杂，其中看来只有四种基本的力：引力，电磁力（因与日常生活密切相关而广为人知），弱作用力和强作用力。中子和质子之间的强力，当然不可能是基本力，因为中子和质子本身就是复合物而不是基本粒子。当两个质子相互吸引时，我们实际上看到的，就是六种夸克相互作用的合力。夸克之间的力才是基本力。可以用描述电磁场的方式描述夸克之间的力，而夸克的色就相当于电荷。质子的对应物是所谓的“胶子”，其作用就是我们先前说过的象仿使那样，不断地在夸克之间来回跳动，将夸克胶结在一起。物理学家们仿照电动力学，把这种由“颜色”产生出来的力场理论叫作色动力学。色动力作用要比电磁力作用复杂。这有两个原因。第一，夸克有三色，而电荷却只有一种，于是，与一种光子相对应的就是八种不同的胶子。第二，胶子也有颜色，因而彼此也有很强的相互作用，而光子不带电荷，彼此间又是那么不相干。

大约再过50亿年，我们的太阳就会走到自己的末日，膨胀成一颗红巨星，最终以白矮星的命运结束自己的一生。 白矮星是宇宙中数量最多的致密星，因为绝大部分恒星都会以这种方式谢幕。 当死亡恒星的内核质量大于太阳的1.44倍时，才会变成另一种致密星——中子星。 白矮星内部绝大部分都是碳元素，此外还会有一小部分氧、氮、氢。而中子星的引力过于巨大，以至于电子都被压进了原子核，与质子结合成为中子。 因此，这种致密星几乎完全由中子构成，所以称为中子星。这么看来，中子星可以近似看作是一个只有中子、没有质子的特殊原子，而白矮星则可以看作是几乎完全由碳原子构成的一个巨大分子。 在中子星之上，还有黑洞，这要求死亡恒星的内核质量超过太阳的1.5-3倍。 在黑洞内部，连中子也不复存在，一切物质都彻底被吞噬到奇点内，损失除质量、角动量以及电荷之外的所有物质。 这是迄今为止人类已知的三种致密星，但是我们发现，这里还有缺失的一环！ 按照白矮星近似于几乎只含有碳原子的分子、中子星可看作只有中子的原子的话，黑洞已经属于虚无。 可是，中子并非基本粒子，它仍然可以继续分割。 中子是由夸克组成的，分别是两个下夸克和一个上夸克 。那么问题来了：难道宇宙中就没有一种夸克星吗？ 或许，宇宙中就存在这么一种神秘的天体，介于中子星与黑洞之间，那就是夸克星。 在关于中子星的标准模型中，中子星的核心应该是保持完整的，也就是说，它的内部应该也是充满了中子。不过，最近的一些研究认为，中子星的内部或许会发生分解，形成传说中的物质—— 夸克汤 。 由于夸克禁闭作用，我们几乎不可能分离出单个夸克来。 但是在宇宙大爆炸或者中子星内部这种恐怖的超高压、超高温环境下，夸克有可能会游离出来，这种状态就叫做夸克汤。 而在中子星内部，这种夸克汤就可能形成神秘的夸克星。它看起来和中子星有些相似，但比中子星还要更小。 如果这样的夸克星真的存在，那么它的内部会发生一些有趣的事情。我们知道，夸克一共有6种，而构成一切可见物质的质子和中子都是由上、下两种夸克组成的。而在夸克星内部，上夸克和下夸克会发生碰撞，从而产生另一种夸克—— 奇异夸克 。奇异夸克比上、下夸克更重，并且会形成一种非常诡异的核子—— 奇异夸克团 。 一个简单的奇异夸克团，是由一个上夸克、一个下夸克和一个奇异夸克组成。由于奇异夸克团密度远超过质子和中子，所以会将靠近自己的质子和中子撕裂，然后通过上述过程形成更多奇异夸克团。理论上来说，一个奇异夸克团一旦接触了普通物质，就会很快将其完全转变为奇异物质，小则是普通的奇异夸克团，大的就是奇异夸克星了。 这个理论听起来挺有趣的，可是很多科学家并不愿意接受。 首先，按照这个理论，所有的中子星内应该都有奇异夸克的存在，这就会导致中子星全都崩溃为夸克星。而实际上我们观测到的中子星，体积都超过了理论上夸克星的极限。 另外，虽然说质子和中子是由上、下夸克组成的，但不代表它们内部就绝对不存在奇异夸克。量子涨落允许奇异夸克偶尔在极短的时间内出现一下，而我们从未见过这样的情况导致周围的一切都变成奇异物质，因为单个的奇异夸克是不稳定的。因此，如果奇异物质真的存在，那也只可能存在于巨大而且密度极高的天体内。 即便如此，科学家们仍然锲而不舍，希望在宇宙中找到答案。最近的一项研究，似乎发现了一些秘密。在这项研究中，科学家试图寻找一种叫做 奇异夸克矮星 的天体。根据他们的假设，这种天体质量和白矮星差不多，但因为它是由奇异物质构成的，所以要比白矮星小得多。 那么，他们该如何寻找这种神奇的天体呢？ 研究人员指出：宇宙中的白矮星似乎都遵从一个 质量-半径函数 ，如果我们发现一些看似是白矮星却又不符合这个规律的，那就有可能是奇异夸克矮星。 目前来说，一颗天体的质量相对比较容易获得，而半径则比较复杂。好在，当我们知道一颗恒星的质量和表面的引力时，就可以很轻松地计算出它的半径——简单的万有引力公式就可以计算出来。因此，研究人员调用了蒙特利尔白矮星数据库内关于白矮星的数据来进行寻找。 在这个数据库中一共记录了超过5万颗白矮星的数据，其中4万颗同时有质量和引力的数据。这些数据相对来说并不难获得，通过引力透镜效应或者多普勒效应就可以计算出白矮星的质量，而表面的引力通过观测它产生的引力红移就可以计算出来。通过这些数据和上面提到的奇异矮星可能的性质，就可以寻找这种神秘的天体。 结果发现，绝大部分白矮星都遵从着质量-半径函数关系，但是其中也有8颗并不符合预测。 这8颗白矮星的质量相对更小一点，这意味着它们有可能就是研究团队一直在寻找的奇异矮星 。 当然，这也不意味着他们就已经找到了奇异矮星，毕竟我们要先排除观测数据的误差，还要确定是否白矮星还有些不了解的机制。 不管怎么说，这是一个好机会，值得深入研究。也许在宇宙中，就真的有奇异矮星这种神秘的天体甚至更加神奇的天体，等着我们去发现，并且届时将会让我们大吃一惊呢！

什么是奇异夸克现象？会有哪些表现？真相是什么？但这种 "蛮力 "对夸克不起作用，对于 "夸克禁闭 "的解释比较流行的是用弦理论，是由夸克之间的强子连接组成的，而强子可以被认为是一条很短的弦，夸克是弦的两端，如果要使两个夸克分开。需要大量的能量来使这根弦 "断裂"，然而分离两个夸克的能量足以使夸克分离并同时形成一对新的夸克（能量转化为质量），这样新的和原来的夸克又形成了两对锁定的夸克。这样下去，你将永远不会得到一个 "自由 "夸克。这有点像当你切割一个条形磁铁时，你总是得到两个新的磁铁而不是一个磁极。简而言之，夸克禁闭是一个非常普遍的理论，不能用几句话就能清楚地描述。这里的解释只是非常笼统。很多人都听说过夸克，但没有多少人听说过夸克禁闭，这是粒子物理学的奥秘之一。夸克禁闭描述了一种物理现象，简单地说，这意味着夸克并不单独存在。我们所知道的是，物质世界是由原子和分子组成的，原子核一般由质子和中子组成，而质子和中子由夸克组成。夸克是已知最小的基本粒子之一，科学家在物理实验中观察到，质子和中子等基本粒子都可以出来单独观察，但夸克不同，我们所有的物理观察都无法现单个夸克的存在，只能发现由一对或几对粒子组成的夸克。这种无法观察到单个夸克的情况被称为夸克禁闭。夸克禁闭并不是因为夸克太小（小于10^-18米）而无法单独观察，而是因为存在着一个无法打破的循环。这里需要理解的一件事是，在微观层面上，能量和质量之间的界限有点模糊，特别是在夸克层面上，你可以把它看作是一个小的能量团。在质子或中子的情况下，它们被核力结合在一起，通过强相互作用，你只需要足够的能量来拉开它们。