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宇宙間最堅不可摧的神秘力量 隱藏在我們每個人的體內

“強互作用力(強核力)”是一種非常厲害的基本作用力。它能夠把宇宙中一些最小的粒子結合在一起。被強互作用力束縛在一起的粒子,構成了我們這個世界的基礎。它結合而成的粒子中包括質子和中子。但強互作用力的結合方式卻極為奇特和複雜。

小說《三體》中出現的“強互作用力宇宙探測器”——也就是“水滴”,就是基於人類對強互作用力的認識,而進行的有趣想像。

理論上,質子和中子並非宇宙中僅有的兩種由強互作用力結合而成的粒子。但是到目前為止,人類對其他的強互作用力粒子結合方式,了解極為有限。

要了解強互作用力及其奇異特性,可以通過了解電磁力入手。

電磁力相對簡單。它是通過一種名叫“電荷(electric charge)”的特性,在粒子之間發生作用的。假如你擁有電荷,你就能感受到電磁力,並對電磁力作出反饋。電磁力是由光子負責傳遞的。光子本身沒有電荷,且沒有質量。電磁力的本質是光子的交換。

在理解電磁力的基礎上,我們可以來嘗試理解強互作用力。

參與強互作用力的粒子主要的一類叫“夸克(quark)”。夸克有6“味”,分別是上(up)、下(down)、頂(top)、底(bottom)、奇(strange)和粲(charm)。

夸克參與強互作用力的方式是通過一種和電荷類似,但又與電荷不同的特性——雖然它們本身也擁有電荷,並能夠感受到電磁力。物理學家稱這種與強互作用力有關的奇異特性為“色荷(color charge)”。

每一味的夸克都擁有三種“色”,分別是“紅”、“綠”和“藍”。但是這裡的“色”並不是真正的顏色,而只是為了描述和區分這種奇特的、類似於電荷的特性,人為賦予的標籤。

每一味夸克還都對應一種自轉、電荷、色荷相反的“反夸克”。

夸克參與強互作用力,實際上是通過互相之間交換另外一組共8種粒子實現的。這組粒子被稱為“膠子(gluon)”。它們的作用正如其名,是把夸克“粘”在一起。膠子本身也是帶“色”的,且有質量。

6味夸克,8種膠子。夸克的“色”會變化,膠子的“色”也會。再加上“反夸克”。所以強互作用力比電磁力要複雜得多。

物理學家稱夸克和膠子與強互作用力有關的特性為“色”並不是因為它們真的有顏色,而是因為這樣可以構成一種實用且有趣的類比。

膠子和夸克能夠結合在一起,形成更大的粒子——這種狀況就像是紅色、藍色和綠色光加在一起就會變成白光一樣。最常見的夸克結合方式就是紅、藍、綠三“色”的組合。比如我們可以將三個夸克結合在一起,形成我們熟悉的質子和中子——形成質子還是中子則取決於這是一個什麼樣的夸克和反夸克組合。我們也可以把一個夸克和一個反夸克結合在一起,這樣它們的“色”就會互相抵消——綠和反綠抵消,藍和反藍抵消,紅和反紅抵消——形成一種名叫“介子(meson)”的粒子。

理論上,只要能讓夸克和膠子結合在一起變成“白色”的一切組合方式在自然界中都是被允許的。比如我們可以把2個介子——每一個介子包含2個夸克——結合在一起,形成一種所謂的“四夸克態(tetraquark)”。我們也可以把5個夸克捆綁起來,同時平衡掉它們的色荷,形成一種所謂的“五夸克態(pentaquark)”。甚至於連膠子都可以不需要夸克,自己便能夠獨立存在。它們可以形成自由漂浮的“膠球”,存在於宇宙的某處。

所有這一切能夠通過強互作用力結合在一起的穩定物質形態,都被歸入了“夸克偶素譜系(quarkonium spectrum)”。這不是科幻,而是理論上確有可能存在的所有“強互作用力”物質形態的統稱。

物理學家近年來一直在探索“夸克偶素譜系”中的未知領域。我們不知道在宇宙的什麼地方可以找到它們,但我們可以通過粒子對撞機製造它們。到目前為止,物理學家已經通過對撞機,製造出了許多強互作用力的結合形式。雖然這些奇異物質只出現了一瞬間便消失無蹤,但是它們的存在卻已經是一個不容置疑的事實。

阿波羅網責任編輯:王和 來源:星空天文 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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