質子,它對於大多數人來說都不是一種神秘的物質,有過初中物理知識的同學都知道:質子是一種微觀粒子,質子與中子構成原子核,原子核與電子又構成了原子,而原子則構成了我們日常生活中的所能見到的各種物質,提起質子之謎,可能大家會覺得很奇怪,因為從物理學家發現質子到現在已經有超過一百年的歷史了,也就是說物理學家研究質子這種微觀粒子也已經有一百年了,對於這樣一個大家熟知的微觀粒子,它身上到底有什麼至今還沒有解開的謎團呢?
雖然物理學家研究質子已經一百年的歷史了,但質子身上還有一些至今都沒有被揭開的謎團,甚至就連關於質子的一些基本數據上,物理學家還沒有弄清楚,什麼是質子的一些基本數據呢?例如:質子的質量、電荷、半徑等等,質子的質量、電荷是很好測量的,因為質子帶正電荷,所以可以根據質子在電場與磁場運動中所產生的偏轉,來測量質子的質量與電荷,但是唯獨在測量質子的半徑上,物理學家犯了難,關於測量質子半徑的問題就是物理學家所稱的:質子之謎。
為何質子的半徑不容易測量的呢?因為質子實在是太小了,它比最小的原子:氫原子的半徑還要小6、7萬倍,想要測量質子的半徑,就要比在大海中捕撈一粒沙子一樣困難,所以物理學家在測量質子半徑方面耗費了大量的時間,有的讀者會說:現在的科技手段如此發達,質子太小,不能作為無法測量質子半徑的理由,是的,質子太小,並不是阻礙測量其半徑的全部因素,質子除了非常小之外,它還不是最基本的粒子,也就是說質子並不是我們想像中的一種實體球,而是一種由三個夸克構成的複合粒子,測量複合粒子的難度還比測量基本粒子的難度大很多。
上面講了很多測量質子半徑所遇到的難點,下面切入正題,講一講物理學家究竟是如何測量質子半徑的。
目前質子半徑的官方結果是0.877飛米(1飛米=10米),當然,這僅僅是一個近似值,並不是精準結果,那麼這個近似值是怎麼測量出來的呢?
肯定不會是用尺子量,因為質子實在是太小了,想要測量質子,就一定需要使用微觀的測量手段,目前測量質子半徑通常採用兩種方式:電子散射實驗與氫光譜實驗。
電子散射實驗並不複雜,簡單來說就是使用電子去轟擊質子,因為電子的質量在遠小於質子,所以電子在接觸到質子後會發生散射,然後物理學家根據電子散射的情況來計算質子的半徑,但是電子散射實驗有兩個弊端(請先忽略海森堡的測不準原理),第一個弊端就是高速運動的電子會使質子產生或多或少的位移,這會對於質子的半徑測量產生影響,第二個弊端就是電子是帶負點的粒子,而質子是帶正電的粒子,異極相吸,大量電子與質子之間產生的吸引力也會對於結果產生影響,所以電子散射實驗無法精準的測量質子半徑。
氫光譜實驗說起來就有一些複雜了,需要涉及到一些量子力學中量子躍遷的知識,這裡化繁為簡:氫原子是由一個質子和一個電子組成的,處於激發態的氫原子是不穩定的,氫原子中的電子需要釋放光子,並且從高能量軌道躍遷到低能量軌道,氫原子在量子躍遷中釋放的光子構成了氫原子的光譜,物理學家可以通過氫原子的光譜計算氫原子的能量級,進而計算出質子的半徑,但是氫光譜實驗也是有弊端的,因為電子的電荷、質量很小,所以電子與質子的距離也很遠,這導致無法準確的測量質子半徑。
質子的半徑之謎一直困擾著物理學家們,直到2016年,物理學家發現了一種全新的測量方法,這種方法與氫光譜實驗類似,但是卻將質子半徑數據的準確度提高了10倍。
與氫光譜實驗類似的這種方法名為:μ子氫光譜實驗,μ子是構成物質的一種基本粒子,質量、電荷要比電子大很多,可以視為一個超級加強版的電子,μ子氘是由一個質子與一個μ子組成的粒子,μ子氫光譜實驗的優點在於:μ子的質量、電荷要比電子大很多,所以μ子與原子核的距離要更近,這會極大的提成質子半徑的精準度,經過μ子氫光譜實驗的測量,質子半徑為0.842±0.001飛米,後來馬克斯普朗克量子光學研究所、美因茨大學陸續進行了μ子氘光譜實驗與μ子散射實驗,質子半徑進一步準確,目前為0.811飛米(2018年的初步結果,並未得到統一認可)。
質子半徑一點點的在變「瘦」,這是否意味著我們能得到質子半徑的精準值呢?
個人認為:測量質子半徑準確值是不可能的,如果單單是因為質子太小,而且質子還是一個複合粒子,那麼我們需要做的僅僅是提高科技水平和測量儀器的精準度,最後一定會得到一個準確值,但事實上,真正導致質子半徑很難測量的根本因素是:微觀粒子與生俱來的一種特殊性質:波粒二象性。
波粒二象性,也就意味著質子不單單是一種粒子,還是一種波,它是一種粒子與波的矛盾結合體,想要測量粒子半徑是很容易的,但波是沒有半徑的,所以在測量過程中質子的波動性對於質子粒子半徑測量結果的影響是存在的,甚至是很大的影響了對於質子半徑的測量,也正是因為微觀粒子的波粒二象性,導致測量質子的半徑是很困難的,雖然越來越先進的測量手段可以無限削弱質子波動性對於測量結果所產生的影響,但也只能做到的是削弱影響,因為微觀粒子的波粒二象性是固有屬性,所以測量方式無法根本性的消除波動性帶來的幹擾,這才導致了測量質子半徑準確值是不可能的。