宇宙间最坚不可摧的神秘力量,隐藏在我们每个

“强互作用力(强核力)”是一种非常厉害的基本作用力。它能够把宇宙中一些最小的粒子结合在一起。被强互作用力束缚在一起的粒子,构成了我们这个世界的基础。它结合而成的粒子中包括质子和中子。但强互作用力的结合方式却极为奇特和复杂。


小说《三体》中出现的“强互作用力宇宙探测器”——也就是“水滴”,就是基于人类对强互作用力的认识,而进行的有趣想象。


理论上,质子和中子并非宇宙中仅有的两种由强互作用力结合而成的粒子。但是到目前为止,人类对其他的强互作用力粒子结合方式,了解极为有限。


要了解强互作用力及其奇异特性,可以通过了解电磁力入手。


电磁力相对简单。它是通过一种名叫“电荷(electric charge)”的特性,在粒子之间发生作用的。假如你拥有电荷,你就能感受到电磁力,并对电磁力作出反馈。电磁力是由光子负责传递的。光子本身没有电荷,且没有质量。电磁力的本质是光子的交换。


在理解电磁力的基础上,我们可以来尝试理解强互作用力。


参与强互作用力的粒子主要的一类叫“夸克(quark)”。夸克有6“味”,分别是上(up)、下(down)、顶(top)、底(bottom)、奇(strange)和粲(charm)。


夸克参与强互作用力的方式是通过一种和电荷类似,但又与电荷不同的特性——虽然它们本身也拥有电荷,并能够感受到电磁力。物理学家称这种与强互作用力有关的奇异特性为“色荷(color charge)”。


每一味的夸克都拥有三种“色”,分别是“红”、“绿”和“蓝”。但是这里的“色”并不是真正的颜色,而只是为了描述和区分这种奇特的、类似于电荷的特性,人为赋予的标签。


每一味夸克还都对应一种自转、电荷、色荷相反的“反夸克”。


夸克参与强互作用力,实际上是通过互相之间交换另外一组共8种粒子实现的。这组粒子被称为“胶子(gluon)”。它们的作用正如其名,是把夸克“粘”在一起。胶子本身也是带“色”的,且有质量。


6味夸克,8种胶子。夸克的“色”会变化,胶子的“色”也会。再加上“反夸克”。所以强互作用力比电磁力要复杂得多。


物理学家称夸克和胶子与强互作用力有关的特性为“色”并不是因为它们真的有颜色,而是因为这样可以构成一种实用且有趣的类比。


胶子和夸克能够结合在一起,形成更大的粒子——这种状况就像是红色、蓝色和绿色光加在一起就会变成白光一样。最常见的夸克结合方式就是红、蓝、绿三“色”的组合。比如我们可以将三个夸克结合在一起,形成我们熟悉的质子和中子——形成质子还是中子则取决于这是一个什么样的夸克和反夸克组合。我们也可以把一个夸克和一个反夸克结合在一起,这样它们的“色”就会互相抵消——绿和反绿抵消,蓝和反蓝抵消,红和反红抵消——形成一种名叫“介子(meson)”的粒子。


理论上,只要能让夸克和胶子结合在一起变成“白色”的一切组合方式在自然界中都是被允许的。比如我们可以把2个介子——每一个介子包含2个夸克——结合在一起,形成一种所谓的“四夸克态(tetraquark)”。我们也可以把5个夸克捆绑起来,同时平衡掉它们的色荷,形成一种所谓的“五夸克态(pentaquark)”。甚至于连胶子都可以不需要夸克,自己便能够独立存在。它们可以形成自由漂浮的“胶球”,存在于宇宙的某处。


所有这一切能够通过强互作用力结合在一起的稳定物质形态,都被归入了“夸克偶素谱系(quarkonium spectrum)”。这不是科幻,而是理论上确有可能存在的所有“强互作用力”物质形态的统称。


物理学家近年来一直在探索“夸克偶素谱系”中的未知领域。我们不知道在宇宙的什么地方可以找到它们,但我们可以通过粒子对撞机制造它们。到目前为止,物理学家已经通过对撞机,制造出了许多强互作用力的结合形式。虽然这些奇异物质只出现了一瞬间便消失无踪,但是它们的存在却已经是一个不容置疑的事实。


[参考] A 'Quarkonium Spectrum' of Exotic Particles Might Lurk in the Universe, So Why Can't We Find Them? https://www.livescience.com/quarkonium-spectrum-of-strong-nuclear-force-particles.html