著者：黃姤

「夸克」是什么？

「夸克」，就是組成我們這個(gè)世界的最基本的粒子，至少目前物理學(xué)家認(rèn)為是這樣的，萬(wàn)事、萬(wàn)物的底層是原子，原子的內(nèi)部有原子核和外面的電子，原子核又是由質(zhì)子和中子組成的，但是這樣的一個(gè)問(wèn)題又可以追問(wèn)下去--質(zhì)子和中子又是如何構(gòu)成的？

答案就是：「夸克」。

質(zhì)子和中子都各自是由3個(gè)夸克結(jié)合在一起形成的，夸克非常小，它的尺度令人難以置信，夸克的半徑和質(zhì)子相比要小2000倍，而質(zhì)子的半徑大約是沙粒半徑的2.4萬(wàn)億分之一，所以這是一個(gè)極其渺小的存在，它和電子以及其他的輕子一樣，是不可以再分割的，也就是說(shuō)到目前為止，據(jù)所建立的物理知識(shí)，「夸克」以下不再有別的結(jié)構(gòu)。

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「夸克」是在1964年最早由加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家默里·蓋爾曼（1929年9月15日—2019年5月24日）和另外的一位同事茲威格各自獨(dú)立提出的，他們當(dāng)時(shí)正在研究質(zhì)子和中子，發(fā)現(xiàn)要想解釋這兩種粒子的有一些物理性質(zhì)，只能認(rèn)為它們的內(nèi)部還有更小的粒子就是夸克?！缚淇恕惯@個(gè)有趣的名字正是蓋爾曼提出的。到了1967年~1973年間，人們終于在斯坦福加速器中心進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了「夸克」的真實(shí)存在。

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「夸克」有一個(gè)奇異的性質(zhì)

你可以探測(cè)它，可以觀察它，但是卻不能把它們單獨(dú)的取出來(lái)，夸克和電子都是基本粒子，但電子是很基本的一個(gè)單元，我們不僅可以觀察電子，也可以獨(dú)立的取出電子，甚至操縱電子，但是對(duì)于夸克這是做不到的。我們不可以從原子核的質(zhì)子或中子當(dāng)中拿出一個(gè)獨(dú)立的夸克，這一點(diǎn)是做不到的，這個(gè)現(xiàn)象叫做「夸克禁閉」。

既然夸克是禁閉的，我們又如何觀察它？

可以用別的粒子來(lái)作為道具，測(cè)量道具就是——電子。

電子在加速器上獲得巨大的速度，直接深入到粒子的內(nèi)部可以探測(cè)到原子核的深處，這樣原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的夸克就可以和電子發(fā)生相互作用，當(dāng)我們從外面看到了電子的行為的時(shí)候，就可以反向推測(cè)出原子核內(nèi)部的夸克的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。這就好比說(shuō)原子核像一個(gè)核桃，核桃非常的堅(jiān)硬，我們永遠(yuǎn)沒(méi)有辦法把它打開(kāi)，但是我們可以把它放在CT掃描儀上，通過(guò)斷層掃描看到里面的情況，大體上夸克就是這樣被識(shí)別出來(lái)的。

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除了「夸克禁閉」，夸克還有一些非常奇異的地方

「夸克」具有分?jǐn)?shù)電荷，也就是說(shuō)上面帶的電荷單位不是整數(shù)的，不是1或者-1，而是1/3、2/3這樣的分?jǐn)?shù)單位。

「夸克」按照質(zhì)量從大到小排列一共有6種類(lèi)型，物理學(xué)家把它稱(chēng)為「味·flavor」，大家不要誤會(huì)，不是日常生活當(dāng)中吃到的苦、辣、酸、甜、咸，這只是一個(gè)比喻而已，用它來(lái)形容夸克的質(zhì)量屬性。

「夸克」還有另外一種更加奇怪的屬性，物理學(xué)家們只好再去找一個(gè)詞來(lái)形容，最后他們找到的這個(gè)詞匯叫「顏色·color」?！缚淇恕故怯猩实模@個(gè)色彩同樣不是我們?nèi)粘Ｉ钪锌吹降募t紅綠綠，它只是一種比喻，比喻?夸克的一類(lèi)性質(zhì)，術(shù)語(yǔ)上叫做「色荷」，引入色屬性就是為了來(lái)解釋或形象的比喻夸克的顏色禁閉。

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夸克的類(lèi)型

夸克有6種類(lèi)型，其中哪一種類(lèi)型還對(duì)應(yīng)著一個(gè)反粒子，也就是「反夸克」，故此是12種情況，在這12種情況里邊，人們發(fā)現(xiàn)有一些夸克可以組合在一起形成穩(wěn)定的存在，而另外一些是無(wú)論如何不能放在一起的。

物理學(xué)家為了描述夸克分組結(jié)合的這種定向規(guī)律，就引入了「色荷」屬性，夸克的色有3種：紅、綠、藍(lán)，而它們的反粒子也就是「反夸克」對(duì)應(yīng)的是反紅、反綠、反藍(lán)。在「色荷」力學(xué)當(dāng)中，物理學(xué)家們規(guī)定夸克組合在一起，只有當(dāng)它們的「色荷」最后濃縮的結(jié)果是白色或者說(shuō)是無(wú)色的情況下才能夠存在。紅、綠、藍(lán)是三原色，所以當(dāng)具有紅色色荷、藍(lán)色色荷和綠色色荷的三個(gè)夸克合在一起的時(shí)候，就可以認(rèn)為它們是白色或者是沒(méi)有顏色，它們就能穩(wěn)定的存在。

另外一種情形是正夸克和反夸克。正紅、反紅或者是正綠、反綠這樣的顏色組合在一起的時(shí)候也認(rèn)為是無(wú)色的，只有無(wú)色的組合才可以最后存在，凡是搭配在一起出現(xiàn)了顏色夸克就不能存在，這叫做「夸克顏色禁閉」。

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連接夸克的膠水

質(zhì)子和中子是最穩(wěn)定的由夸克結(jié)合形成的粒子，它們剛好都是由3個(gè)三原色夸克形成的穩(wěn)定組，正是因?yàn)榭淇瞬荒茱@示單獨(dú)的顏色，所以我們永遠(yuǎn)無(wú)法從原子核當(dāng)中取出一個(gè)獨(dú)立的夸克，夸克的微小和它蘊(yùn)藏能量的巨大形成了一對(duì)矛盾，后來(lái)在此基礎(chǔ)上，物理學(xué)家們提出夸克的連接需要一種強(qiáng)力的膠水，這種膠水也是一種粒子，叫做「膠子」。

膠子就是強(qiáng)相互作用力的提供者，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是它們把夸克綁在一起，膠子也有許多奇妙的特征，比如一種叫做「膠子飽和」的現(xiàn)象，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)重離子以很高的能量碰撞的時(shí)候，在它們中間的某個(gè)區(qū)域會(huì)出現(xiàn)高密度的膠子，這是非常值得探測(cè)的，原因在于這個(gè)時(shí)候的膠子會(huì)表現(xiàn)出一種整體一致性的行為屬性，這一點(diǎn)就像是我們?cè)谠绺叻寤蛲砀叻宕畛说罔F一樣，整個(gè)車(chē)廂里塞了人，這個(gè)時(shí)候一旦有一個(gè)人摔倒，周?chē)娜思词共话ぶ?，也可以感覺(jué)到他的動(dòng)作，原因是大伙密密麻麻地緊密排列在一起，所有的動(dòng)作都可以傳播開(kāi)來(lái)，這樣的高密度的致密性使得整個(gè)膠子區(qū)域像一塊玻璃，所以它也叫做「色玻璃凝聚態(tài)」，這正是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家當(dāng)前最關(guān)注的一個(gè)觀測(cè)現(xiàn)象，假如我們能夠在大型對(duì)撞機(jī)上找到這樣的凝聚態(tài)，這一定是一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)，而這一點(diǎn)也是關(guān)于夸克最大的未解謎題之一。

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當(dāng)然說(shuō)到謎題，大伙的心中一定還有一個(gè)問(wèn)題想問(wèn)的——都說(shuō)夸克是最基本的粒子，那誰(shuí)來(lái)保證這一點(diǎn)，夸克的內(nèi)部還會(huì)不會(huì)存在更精細(xì)的結(jié)構(gòu)呢？

對(duì)此我只能告訴您——物理學(xué)不知道答案。