质子的奥妙（下） 17

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统讲物理学系统本身，这里是第九季第17篇

--预计阅读5min--

接上篇 16，

长久以来，质子内都被认为有3个夸克，具体来说是2个上夸克和1个下夸克。

但根据Nature最新一篇论文，以后恐怕要改了：5个。

再加上一对粲夸克 （Charm Quark）和反粲夸克。

按照现有理论，已知的夸克共有6种，上、下、顶、底、奇和粲，每一种又有对应的反夸克。

但除了上夸克和下夸克外，后面四种因质量太大所以不稳定，一般认为很快就会衰变。

但是这一次，欧洲核子研究组织（CERN）的科学家却表示：发现了质子内部长期存在一对粲夸克-反粲夸克的有力证据。

而且这个证据，还是用机器学习方法找到的。

粲夸克，它是第4种被发现的夸克，排在上、下和奇之后，符号为c。

它的质量1.27 GeV/c2在6种夸克里排第三，带2/3单位的正电荷，自旋与其他夸克一样都是1/2。

（物质的最新结果2023）

我们先来看看万维钢老师对过程的解释：

因为夸克海实在太复杂，没有办法从数学角度直接解方程，有人干脆想了个主意说咱们用大数据分析、用机器学习行不行。

物理学家走这一步可以说是不得已而为之的堕落，因为统计分析的误差比传统的理论和实验都高太多了。

但是有学说总比没学说好。

这个大新闻就是荷兰的几个物理学家，把过去50年间拍摄的5000多张电子-质子碰撞的快照，使用机器学习方法进行一番分析，进一步推测了质子内部的夸克海是什么样的。

结果分析发现，夸克海里有时候甚至会出现一对粲夸克，也就是质量第四重的夸克。

这问题可就大了！

粲夸克的质量比整个质子都要大，相当于整个质子质量的136%。这就相当于夸克海里有时候会冒出一对鲸鱼，每个鲸鱼的重量都超过了整个海洋的重量！

是，量子效应有时候允许你凭空获得一点能量，但是这个能量是不是也太多了？然而这就是机器学习发现的结果。

那么最新的质子图像又变成了下面这样——

一个质子中有3个常驻的高动量夸克，包括两个上夸克和一个下夸克。

这三个常驻夸克之间会不断通过胶子来传递相互作用。

胶子走在路上常常会突然间变成一对正夸克和反夸克，那些凭空变出来的夸克就形成了一片夸克海。

海夸克一般都是质量比较低的，但有时候也会冒出一对大鱼来，居然是两个质量比质子本身都大的粲夸克。

怎么理解这个图像？

你可能会猜测，粲夸克的质量，是不是入射电子的高能量给带来的？

这种可能性不能说没有，但是一方面理论不支持：电子跟胶子又不发生作用，它怎么把能量传递给胶子？

另一方面实验中温和的碰撞也能看到粲夸克。还有一种可能就是机器学习根本不靠谱，还有待进一步实验验证。

表面上无比温顺的质子，哪知道他内心有这等深不可测的波澜。

质子中可能有粲夸克，这对生活有什么意义呢？

最直接的意义是它会影响你的观测结果。

粲夸克被撞击可能会带来额外的中微子。如果宇宙射线打到大气中质子里的粲夸克上，带来这么一个高能的中微子的话，你要不知道质子里就有粲夸克，还以为那个高能中微子来自宇宙，殊不知它实际上来自本地。

这也给将来用大型强子对撞机（LHC）撞什么东西提了一个醒，你得考虑到这一点。

顺便说一句，这一讲所有的实验结果都是在斯坦福直线加速器和德国的强子-电子环形加速器上得到的。

还是那句话，LHC至今没有给我们提供任何一个*意外*发现。LHC花费了那么多钱、有那么多媒体报道，可是它的所有实验结果都是理论物理学家早就想到的。搞科研千万别学LHC。

倒是布鲁克海文国家实验室打算在2030年代启动一个更高级的电子和质子对撞机，那时候可能会有新发现。

听到这里你可能会忍不住想，质子为什么这么复杂？

如果让你来设计宇宙，质子作为这个宇宙中如此普遍的存在、作为构建万事万物最重要的一种砖头，有必要设计得那么复杂吗？其实你应该问的是为什么夸克如此复杂。

夸克是一种基本粒子，只是一个点而已。可是它却有这么多神奇的性质。

夸克有不同的味道，味道决定了它的类型、重量和电荷。它还有“颜色”——不是生活中的颜色，是参与量子色动力学时候的特征。夸克可以传递胶子，而胶子有时候会自己又变出两个夸克来。一种夸克通过衰变还能变成另一种夸克。

日常生活中可没有这样的砖头。为什么宇宙的砖头如此复杂？因为夸克要做的工作很多——

* 它要参加电磁相互作用，它要带电荷，这样我们才有了原子、才有了化学；

* 它要参加强相互作用，这样不同夸克才能组合在一起形成质子和中子，质子和中子才能形成原子核；

* 它还要参加弱相互作用，也就是一个夸克突然间变成另一个夸克，只有这样才会出现放射性衰变，才有可能发生核聚变，太阳才能发光发热；

* 它还必须得参与引力相互作用，这才有了万有引力……

而且夸克的各项设定数值必须配合得无比精巧，才能让组成的质子不会衰变。

一个夸克可能会衰变变成另一个夸克，可是质子却永远都是质子！

你不觉得这太巧了吗？要知道如果质子会衰变，那可就没有一个原子是稳定的，也就谈不上有这么一个相当稳定的世界供我们玩耍了……

你想想，作为宇宙中最基本的一种砖头，夸克竟然能干这么多事。物理学家并不完全理解夸克，我们知道夸克的一些行为和性质，我们可能永远都不会知道夸克本质上是个什么东西。

难道这样的宇宙不值得你探索吗？难道如此精妙的物理学不值得你赞叹吗？

总结：

也许，说质子是一片海洋还有点小了，说不定还是整个宇宙呢。

佛曰：一花一世界，一叶一菩提，天底下，众生平等！你不能用自己所认知的观念去理解世界，你能做的只是仰望～

好，关于质子的话题就到这里啦。

另外再谈个题外话：

今年，9月25日，北京市教委发布《关于深入推进高中阶段学校考试招生改革的实施意见》，其中有这么一条大家关注，尤其是孩子家长。

北京教育部准备落地实施关于中考改革的事宜，关键是“物理“被定义为四大主科之一，现在其他省份还未实施，但是大家要注意啦～