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那些视屏能看av不需要会员不需要试看 _拥抱夸克时代,夸克是什么,人类进入夸克时代了吗?

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发布时间:2019-11-19 21:28:01 来源:中国报道

? ?对物质寻根究底是宇宙学家一直在做的一件事。他们一直想知道,创生大爆炸后出现的物质究竟是什么形态。科学界迄今还不能制造如此高的能量,以创造最初的物质。一些科学家开始放慢脚步,去追踪已知基本粒子的底细。

? ?我们现在知道,基本粒子有很多种。本文要说的,是组成物质(指化学元素,如氢、氮……)的基本粒子。这也是古代哲学家的话题,可以追溯到很久以前。约公元前4 50年,古希腊哲学家德谋克利特说,世界上的一切物质皆由一些极微小的基本粒子组成,他称此为原子,而原子就不能再分下去了。

? ?近代物理学也把原子作为物质的最小单位,并认为它由原子核和电子构成。20世纪30年代。人们了解到原子核内还年代,人们了解到原子核内还含着质子和中子。彼时,人们把这些粒子称为基本粒子。20世纪60年代,科学家在一系列实验中感到质子可能有内部结构。在高能电子的轰击下,质子内部的电荷具有一定的分布图,其半径在0.7×10-13厘米的线度上。1964年,盖尔曼和茨威克正式从理论上计算出这种深层次物质的存在,将其取名为夸克,它带有分数电荷。

拥抱夸克时代,夸克是什么,人类进入夸克时代了吗?

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之后,理论界确认,夸克共有6种,它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、9夸克、底夸克和顶夸克。参与物质组成的主要是上夸克和下夸克。

? ?地球上有100多种元素,最简单的是氢,氢在大爆炸后不久就生成了,而较重的元素是在恒星核燃烧和超新星爆发时出现的。氢的结构最简单,原子中心是一个原子核,核内有一个质子,围着核有一个电子。而其他元素的原子核内皆有质子和中子,前者呈电正性。后者为电中性,两者统称为核子。

? ?现在,一些科学家对核子抱有很大希望。他们说,抓住它的复杂性,我们就能解释物质宇宙是如何存在和运行的,进而进入高难度技术领域,诸如新型激光和储能材料研究等领域。

? ?原子核是原子中最厚实的部分,质子和中子除了电性的不同外,在质量上也略有区别,前者为938.3兆电子伏特,后者略大,为939.6兆电子伏特。二者的质最相差甚小,仅0.14%,而正是这微小的差异,使得宇宙百态繁复。质子配上了电子,形成电中性、带结构的原子,没有让世界变成一个无特性的中子半流体。

? ?粒子物理学家斯克雷奇达说:“若质子重于中子,那么整个宇宙将变得大不一样。质子是稳定的,故原子和我们是稳定的。”而这跟它的质量有关。目前我们认为,质子的半衰期至少是10^32年,而宇宙迄今的年龄也不过10^10年。也就是说,宇宙中没人见过一个质子的衰变。

? ?如果质子与中子的质量之差稍大一点,就会有更多的中子参与形成更复杂的重元素,就将遇到难以克服的能量屏障,使重元素无法形成,宇宙将只有氢元素。

? ?若两者的质量之差稍小一点,那么在恒星形成之前,氢将自发地变成更无生气的氦,使得宇宙成为一个呆滞的世界。

? ?德国理论物理学家福多尔说,所有这些导致了一个必然的结论,即质子和中子的质量若不是像现在这样,那么人类将不会存在。

? ?我们已知核子并非基本粒子。质子是由两个上夸克(带2/3电荷)和一个下夸克(带负1/3电荷)组成,故带一个正电荷;中子由两个下夸克和一个上夸克组成,故呈电中性。下夸克略重于上夸克。但我们无法据此解释质子和中子的质量差。这两种夸克的质量都很小,我们很难确切地说出差额究竟是多少,因为夸克从未被单独看到过。总的来说,这些夸克加起来,只占质子、中子质量的很小一部分。

? ?像所有的基本粒子那样,夸克也是通过黏性的、漫游于整个空间的希格斯场(由希格斯玻色子产生)的作用而获得质量的。但要解释清楚由多个夸克组成的物质,还得加上别的方法。

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? ?最终的答案来自量子色动力学(QCD)。就像带电粒子带有电荷。决定了它对电磁力的反应,夸克带有色荷(这个“色”并非我们日常所说的颜色,只不过借用此词表达夸克的一种属性),可以跟强核力相互作用。QCD就是描述强核力的基本理论。

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? ?带电粒子是通过相互交换无质量的光子而结合的,与之类似,带色荷的夸克是通过相互交换胶子而组成物质(诸如质子、中子)的。胶子没有质量但有能量,根据爱因斯坦的著名公式:E=mc^2,其能量可变成多种夸克泡,通常总是处在质子或中子内。根据量子理论的测不准原理,这些额外的粒子不断地从真空中蹿出,又立即消失,一直处在这种状态下。

? ?在过去的40年中,物理学家一直试图解开这个谜。他们提出了一种理论,称晶格QCO,可以解释核子的全盘运动,不过其数学计算十分复杂、费时。

? ?研究在2008年出现了突破,科学家终于得出了两个核子的质量——936兆电子伏特,并了解了夸克的能量和胶子的相互作用,它们构成了核子质量的大部分。但这一计算还不十分精确,很难找出质子和中子的全部重要差别。

? ?此外,这一计算还忽略了电荷效应。电荷是另一种能量,它同样有质量。那些在核子中瞬息即逝的夸克和反夸克都带有电荷,这对粒子的质量做了额外的贡献。不将这些效应考虑进去,讨论核子的质量问题就成了空谈。韦尔切克说,讨论某种复杂粒子的质量差,实在是无意义的模仿。笔者认为,既然核子是原子结构中最厚实的部分,故精确地说,不仅核子的质量是活的,所有原子的质量皆是活的、变动着的。

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? ?质子与中子的质量之差难以捉摸,解决此难题的方法不是QCD方程,而是量子电动力学(QED)的方程,它是处理电磁相互作用的理论。最佳的办法当然是把QCD和QED置于同一框架,可是这极困难,电磁场自身的能量无法直接计算出来。这个能量在晶格模拟中会变得无限大,其数学效果就是使方程无解。

? ?福多尔等人付出了很大的努力,获得了质子与中子的质量差。他们得出的数字跟其他理论计算值保持一致,虽然可能的误差约有20%,但科学家仍然认为这是一个里程碑。

韦尔切克说,令人兴奋的是,现在我们有能力去计算有关宇宙运行的、十分基础的条件,过去我们做不到。

? ?巨大恒星的内部活动(诸如超新星爆发)第一次为宇宙播种了重元素。我们无法把QED和QCD结合起来,就意味着我们无法指出第一批重元素产生的时标。而其产生的条件又十分极端,我们无法在实验室内模拟。韦尔切克说:“如今我们有信心进行计算了。”

? ?2012年,大型强子对撞机发现了希格斯玻色子,但仍留下不少难题。诸如,创生大爆炸后,为何出现的物质多于反物质?为何质子和电子的电荷如此完美(一正一负),而前者结构复杂,后者却很单一?福多尔的一位合作者说:“我们需要新的物理学,去寻找标准物理理论以外还隐藏着的东西。”

现在,大型强子对撞机再次启动,去探索粒子在更高能标上的相互作用。科学界希望它能给出某种新事物的清晰信号,“但是人们不得不去了解这个新理论(指给出的新的信号)的基础”。

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? ?这听上去有点夸张,但还是值得考虑的。要知道,现代技术就是来自我们对物质深层次的了解。一个世纪前,我们刚好抓住了原子,正是在对它了解的基础上,我们发明了计算机和激光技术,进而洞悉了原子核,带来了许多新技术,诸如核电站、原子弹等。

? ?我们进入质子和中子的世界,意味着科学研究又深入了一个层面。在跟色荷的相互作用中,胶子更具激发性(与光子跟电磁力的相互作用相比),故它可能操作带色荷粒子在原子尺度上产生更大能量。

? ?胶子不像光子。它们自身可相互作用,彼此束缚在一个扭曲的能量柱之中。若我们能更为直接地驾驭它们,就可能获得一种使用和储藏能量的好方法。因建立QCD理论而获得了诺贝尔奖的韦尔切克说:“核子能把一大堆能量存入一个很小的空间。若我们能通过计算精确地模拟核化学实验,而不是做碰巧能成功的实验,就是很大的成功,这将把我们引向密集能量储藏方面的探索。”

就今日而言,这些大多还是梦想,但至少物理学家已能顾及这些梦想。科学界认为,我们已经到了夸克时代!

? ?2012年,天文学家观测到了一颗超新星SN2009ip,他们倍感惊讶,原因是不久前它已爆发了一次。加拿大卡尔加里大学的天文学家马依得说那是一颗夸克星。

? ?超新星爆发后留下的残存物是中子星,其核心的引力进一步加强,最终使得中子物质变成由上夸克、下夸克和奇异夸克组成的物质。理论上说,这种奇异夸克物质是很稀有的。星球的引力进一步增大,打破了夸克的束缚态,就使得中子星变成了夸克星。有科学家认为,在高密度的低温环境中,它们能自由存在。

若夸克星确实存在,那么它将是得天独厚的天体物理实验室,有助于我们探测物质的特性,这是地球上最好的对撞机也做不到的。

? ?人们从未见过夸克在核子外面单独存在,这也许跟核子内的“夸克海”有关。“夸克海”是一个相互作用的海洋,质子和中子的大部分质量皆隐藏在夸克和胶子海洋中相互作用的能量之中。

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