質子究竟是由什麼組成的？夸克也許不是唯一

2020-08-19 旋渦裡的世界

質子究竟是由什麼組成的？夸克也許不是唯一

文/袁玉剛 圖/來自網際網路

原子是由質子、中子和電子組成的。質子究竟是由什麼組成的？質子還能再分嗎？

在《莊子》內篇的《天下篇》中，莊子說：「一尺之棰，日取其半，萬世不竭。」

30年代，物理學家實驗發現質子磁矩為5.6個單位核磁子，中子磁矩是-3.82個單位核磁子。說明質子和中子都是旋轉的可分割的粒子。

1955年1月15日，毛澤東在書記處擴大會議上對錢三強說：「以哲學的觀點來說，物質是無限可分的。質子、中子、電子也應該是可分的。一分為二，對立統一嘛!」

1955年，日本物理學家坂田昌一提出強相互作用粒子的複合模型，即坂田模型。

1964年，美國物理學家蓋爾曼等人提出了基本粒子結構的「夸克模型」；

1965年，我國粒子物理學家們提出了基本粒子的洋蔥狀「層子模型」。

20世紀70年代末，在美國夏威夷舉行的第七屆粒子物理專題國際會議上，諾貝爾物理獎獲得者、美國著名粒子物理學家格拉肖建議：當層子之類的粒子一旦被發現並得到證實，應該把它命名為「毛粒子」。

1968年，科學家通過電子-質子深度非彈性實驗觀測到了氫原子核內的三個電子廣角散射中心，即存在3個小的點狀物體。

科學家們把這3個點狀物叫夸克。科學家們由此提出一個夸克模型，有36種夸克和8種膠子。質子由兩個上夸克u、一個下夸克d和膠子組成，中子由一個上夸克u、兩個下夸克d和膠子組成。



圖1 夸克

電子-質子深度非彈性散射實驗表明了質子內的部分子具有「漸進自由」的性質。即部分子之間越接近，強作用力越弱。當部分子之間非常接近時，強作用力非常弱，部分子完全可以成為自由粒子。反之，部分子之間距離越大，強作用力就越強。

夸克理論對稱、和諧、優美，非常好看、好用。但不管科學家用什麼方法，至今都沒有發現自由存在的夸克。

為了解釋這個難題，科學家們又提出了個「夸克禁閉」理論。依據夸克之間的間隔越大，彼此作用力就越大；間隔越小，彼此作用力越小的特點。夸克不能單獨存在，只能組成複合粒子。

莊子和毛澤東的物質可分的觀點是哲學觀點。是正確的。但科學家們手裡的工具是實實在在的。總有一天，工具的尺寸會大於要分割的物質的尺寸，無法分割了，無法日取其半。科學家們用高速電子撞擊質子固定靶，打碎質子、中子，但得到的碎片與質子一樣大，看不到自由夸克。怎麼辦？

科學家就是科學家。他們想到了新的辦法，用粒子對撞打碎質子。

1961年，兩臺電子對撞機投入運行。1974年，在美國布魯克海文國家實驗室和美國斯坦福直線加速器中心的正負電子對撞機SPEAR上，丁肇中教授和B.裡希特同時發現J/ψ粒子。它是由粲夸克組成的。

1977年，美國費米實驗室發現底夸克。

1995年，美國費米實驗室在CDF中發現頂夸克（進行10的12次方次質子對撞，1.6×10的7次方次有用，在12個候選者中有6個事例證明是頂夸克）。

好像夸克的一切問題都解決了。然而，夸克依然神龍見首不見尾。想想格爾曼的父親老格爾曼在1972年的第16屆高能物理國際會議上說的話，真有意思：「理論上，夸克在實驗室中不需要真正可測量。此時，像磁單極子一樣，它們可以存在於想像中。」

難怪夸克一直找不到。在大海裡撈針，即使撈出幾根針，能夠說明大海是由針組成的嗎？撞碎質子產生的新粒子一定就是組成質子的基本粒子嗎？質子相撞產生了超子，能說質子由超子組成嗎？

還是回頭來再看看質子裡那三個點狀物吧。也許一開始就出現偏差了。

2007年，美國科學家發現，中子在中心和外部邊緣各有一個負電荷，而中間是一個正電荷。這可以解釋為3個夸克，一個是上夸克，兩個是下夸克；也可以解釋為一個是質子，一個是電子，另一個是同一個電子出現在另一個地方。這種結構就是具有兩極的旋渦結構，中間是黑洞，外圍是物質。所以，中子衰變為質子、電子、中微子和伽馬線。

中子與氕的不同主要在於中子裡的電子時而在中心，時而在核內邊緣，可以輕易從兩極逃逸；而氕的電子只能在核外，很難逃逸。



圖2 中子的衰變

質子沒有了電子，但旋渦的結構依然存在，旋渦力依然存在。這就是電荷。電荷是撕碎原子後原子旋渦力的體現，可以旋聚電子。電荷只能是整數，沒有分數。實驗已經證明，不論多大能量的強子對撞機，撞出來的粒子依然是帶有整數電荷的旋轉的粒子。所以，永遠撞不出帶有分數電荷的夸克。也許，這就是夸克禁閉的原因吧。楊振寧一直反對中國建設強子對撞機。我也反對，主要是我認為夸克理論太玄虛了。老格爾曼都說「夸克在實驗室中不需要真正可測量……它們可以存在於想像中。」既然如此，為什麼還要興師動眾，勞民傷財呢？

既然夸克的自旋是1/2，那麼它的電荷就不會是分數。儘管為了自圓其說，硬算出個分數，但不能算是物理，只能是數學。數學可以幫助我們理解、發展物理，但不能獨尊數學，更不能捨本逐末。

我的質子模型是個旋渦：中間是黑洞，外圍是物質的吸積盤；這個旋渦帶正電荷，具有兩極。吸積盤上的物質可以分層，像中國物理學家們提出的洋蔥狀的層子模型。如果你還是理解不了，就看看中國的漢字「〇」。用毛筆書寫時，筆尖發叉，就成了多層。



圖3 黑洞

科學家們說：強作用力是一種短程力，當距離小於0.8fm時，強作用力為強排斥力；當距離大於0.8fm時，強作用力為較強的吸引力；當距離為1.5fm時，強作用力為較弱的吸引力。質子是強作用力形成的。0.8fm內顯示出強排斥力，把物質排斥到外圍，沒有了物質，所以是黑洞；0.8fm外顯示出較強的吸引力，所以形成了物質吸積盤。你要拉開、拉斷吸積盤，越向外越困難。要向裡推吸積盤，吸積盤可能有一部分可以向外移動。這就是質子「漸近自由」的起因。

氫原子核內的三個小的點狀物體是什麼呢？可能是物質吸積盤及其兩個物質旋臂。中子的電子就位於其中一個旋臂上。



圖4 雙旋臂旋渦具有三部分

我的質子旋渦模型比夸克簡單得多，也符合實驗結果。用電子與質子撞擊，不是被吸住就是被撞飛，或者撞碎。碎片會是介子或超子。用質子與質子撞擊，碎片會是介子或超子。這些介子和超子，哪個帶分數電荷？沒有一個！這些介子和超子也不是組成質子的次粒子。那些猶抱琵琶半遮面的夸克，為什麼就一定是質子的一部分呢？

質子是相當穩定的基本粒子。稍縱即逝的粒子未必是基本粒子。那些看起來花裡胡哨、說起來頭頭是道、上窮碧落下黃泉兩處茫茫皆不見的夸克更不是什麼基本粒子。

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