宇宙中的每個原子後面都藏著巨大的謎團,兩個科學家團隊各執己見

2020-12-24 茶馬星球視野

沒有人真正知道原子內部會發生什麼。但是兩個彼此競爭的科學家團隊都認為他們已經弄清楚了。雙方都在努力證明自己的觀點是正確的。

目前為止我們確定的有關原子的知識如下:電子圍繞著原子外殼中的「軌道」旋轉。然後有很多空的空間。在該空間的中心,有一個微小的原子核,它是密集的質子和中子的結合體,它使原子具有大部分質量。那些質子和中子聚集在一起,被所謂的強力束縛。這些質子和中子的數量決定了原子是鐵還是氧或氙,以及它是放射性的還是穩定的。

但是沒人知道那些質子和中子在原子內部的行為。在原子之外,質子和中子具有一定的大小和形狀。它們中的每一個都由三個稱為夸克的小粒子組成,並且這些夸克之間的相互作用非常強烈,以至於沒有外力能夠使它們變形,甚至核中粒子之間的強大力也不能使它變形。

但是幾十年來,研究人員已經知道該理論在某種程度上是錯誤的。實驗表明,在原子核內部,質子和中子看上去比它們應有的要大得多。物理學家於是發展出兩種相互競爭的理論,試圖解釋來這種奇怪的不匹配,並且每個理論的支持者都認為對方的理論是錯誤的。然而兩個陣營都同意,無論正確答案是什麼,都必須來自它們所知領域之外。

自從20世紀40年代以來,物理學家就知道核子在核內的緊密小軌道中運動。核子的運動受到限制,能量很少。由於受到強大力量的限制,它們不會四處彈跳。1983年歐洲核研究組織(CERN)的物理學家注意到了一些奇怪的事情:電子束從鐵上反彈的方式與它們從自由質子上反彈的方式截然不同。這個發現出乎意料,因為如果氫內部的質子與鐵內部的質子大小相同,則電子應該以幾乎相同的方式反彈。

起初研究人員不明白這種發現是怎麼回事。但是隨著時間的流逝,科學家開始相信這是一個規模問題。由於某種原因,重原子核內部的質子和中子的作用似乎要比核外時大得多。在歐洲介子協作組織偶然發現這種現象之後,將此現象稱為EMC效應。它違反了現有的核物理理論。

麻省理工學院的核物理學家奧爾昂有一個想法,或者可以潛在地解釋正在發生的事情。他說,夸克是構成核子的亞原子粒子,在給定的質子或中子之間強烈相互作用,而在不同質子和中子之間的夸克彼此之間的相互作用不大。一個核子內部的強大力是如此之強,以至於讓核子對其他核子的強大作用力顯得微不足道。

奧爾昂打了個比喻,想像一下,您坐在房間裡與兩個朋友聊天,窗戶是關上的。房間裡的三個主角是一個中子或質子內部的三個夸克。微風在外面吹,微風是將質子或中子保持在窗口「外面」的附近核子的力。奧爾昂說,即使有一點從關閉的窗戶上溜進去,也幾乎不會影響到裡面。

只要核子停留在其軌道上,情況就是如此。但是最近的實驗表明,在任何給定時間,核中大約20%的核子實際上不在其軌道範圍內。相反它們與其他核子配對,以短程相關性中相互作用。在這種情況下,核子之間的相互作用能量要比通常的能量高得多。那是因為夸克戳穿了它們各自的核子的壁並開始直接相互作用,而這些夸克與夸克間的相互作用比核子與核子的相互作用要強大得多。

這些相互作用打破了在單個質子或中子內部分離夸克的壁。組成一個質子的夸克和組成另一個質子的夸克開始佔據相同的空間。這會使質子或中子伸展和模糊。儘管時間很短,它們卻長得很大。於是扭曲了核心中整個隊列的平均大小,產生了電磁兼容EMC效應。

現在大多數物理學家都接受這種對EMC效應的解釋。但是並非所有人都認為奧爾昂的研究小組解決了這個問題。伊利諾州阿貢國家實驗室的核物理學家伊恩·克洛特表示,他認為Hen的研究得出的結論,從數據上來說不能完全支持。電磁兼容性的影響仍未解決,這是因為因為核物理的基本模型已經考慮奧爾昂所描述的許多短程配對。但是如果你使用該模型嘗試觀察EMC效應,你將不能描述EMC效應。使用該框架無法成功解釋EMC效應。

因此伊恩·克洛特認為這仍然有一個謎。很明顯,傳統的核物理模型無法解釋這種電磁兼容效應。他和一部分科學家的觀點認為現在解釋一定來自QCD本身。QCD代表量子色動力學,這是控制夸克行為的規則系統。從核物理學轉換為QCD有點像兩次看同一張圖片:一次是出現在第一代翻蓋手機上,代表核物理;然後出現是在高解析度電視上,代表量子色動力學。高解析度電視提供了更多細節,但構建起來卻複雜得多。

問題是,描述原子核中所有夸克的完整QCD方程太難求解,科學家估計現代超級計算機如果想要離完成這項任務,需要變得足夠快,可能還要100年時間發展。使當今超級計算機的速度足夠快,方程式也沒有發展到可以將它們插入計算機的地步。儘管如此,科學家仍然可以利用QCD合作來回答一些問題。現在這些答案為EMC效應提供了另一種解釋:核平均場理論。

他不同意原子核中20%的核子以短程相關性捆綁在一起。克洛特表示,實驗只是不能證明這一點。這個想法存在理論上的問題,我們需要一個不同的模型。克洛埃特解釋說:我所看到的畫面是,我們知道在原子核內部有這些非常強大的核力量,這些有點像電磁場,除了它們是強力場。磁場以極小的距離作用運行,以至於它們在原子核外部的幅度可以忽略不計,但在原子核內部卻很強大。

在克洛特的模型中,平均場實際上使質子,中子和介子的內部結構變形。 就像把一個原子放在一個強磁場裡一樣,會改變那個原子的內部結構。換句話說,均場理論家認為,奧爾昂所描述的密閉房間的牆壁上有孔,風正在吹過,敲開夸克,將它們伸展。

克羅特承認,短程相關性可能解釋了EMC效應的一部分,而奧爾昂表示均值場也可能發揮了作用。問題是,哪一個佔主導地位?現在實驗證據的權重表明,奧爾昂的觀點更好。奧爾昂和克洛特都表示未來幾年的新的實驗的結果可能解決這個問題。

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