量子
关于质子，还有很多未解之谜
质子作为所有原子的基础，仍然充满未解之谜。通过现代物理学的深入研究，我们正逐步揭开这些复杂而奇妙的量子现象。
尽管质子是所有物质的基本构成部分之一，但我们对它的了解仍然有限。
物理学家在研究这种亚原子粒子时，往往会陷入复杂和量子奇异性的深渊。
质子应该是物理学中最简单的物体之一。它是所有原子的基本构成部分，或者说，它本身就是最简单的原子，因为氢原子(一个带正电的质子加上一个带负电的电子)在电离后仍然是氢。
宇宙中的大多数原子都是氢，你身体中的大多数原子也是氢。事实上，由于电子非常小，质量也很轻，可以很容易得出结论：你主要由质子构成。
鉴于这些事实，你可能会认为物理学家已经对质子了解得非常透彻了。但你错了。
如果你问物理老师质子是由什么构成的，他们可能会告诉你质子是由三种较小的粒子——夸克组成的。夸克有六种不同的类型，或“味道”：上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克(这些名称是在20世纪60年代和70年代命名的)，其中上夸克和下夸克结合形成质子和中子。
由于上夸克的电荷为+2/3，下夸克的电荷为-1/3，因此一个带+1电荷的质子由两个上夸克和一个下夸克组成(2/3 + 2/3 - 1/3 = +1)，而一个中性的中子由两个下夸克和一个上夸克组成(-1/3 -1/3 + 2/3 = 0)。
到目前为止，一切似乎都很好。
但虽然电荷加总得很好，质量却不对。在粒子物理学中，我们通常以能量来衡量质量(通过著名的公式E=mc²可以互换)，在这里我们将使用MeV(兆电子伏特)作为单位。
如果你在网上查找夸克的质量，你会发现上夸克的质量大约为2 MeV，而下夸克的质量接近5 MeV。但同样的来源会告诉你质子的质量高达938 MeV。我们的计算差了大约99%。
在我们慌乱之前，可以问一下质子中还有什么其他东西吗？我们有一个方便的答案：胶子！胶子是适当地命名为携带强核力的粒子，就像光子携带光——即电磁力一样。胶子存在于质子中以将夸克结合在一起，因此它们肯定会有所贡献。但是胶子与光子还有一个共同点：它们完全没有质量。
那么我们如何用三个总质量为9 MeV的夸克和一些完全没有质量的粒子构建一个质量为938 MeV的质子呢？
答案比你想象的更复杂。首先，说质子中有三个夸克并不完全正确。实际上，质子是一个不断变幻的量子海洋，里面充满了无数夸克、反夸克和胶子，它们不断通过相互转化而存在。而这些在质子内部飞速移动的虚无缥缈的粒子携带着动能，这通过E=mc²提供了我们所需的938 MeV中的大约60%。
最后的一部分来自强核力本身的能量。夸克不仅被强核力束缚，还被“禁锢”在一起。这与重力或电磁力不同，在重力或电磁力中，分离越远，吸引力越弱——你可以通过足够的努力将磁铁分开，或将火箭加速脱离地球。但强核力会不断拉扯。
强核力本身所包含的能量如此之大，即使你设法将两个结合在一起的夸克分开，克服它们的强核力吸引，投入分离的能量也会自发地产生两个新的夸克，分别与刚刚分开的夸克结合。夸克不喜欢被分开。
这种夸克禁锢的能量解决了质子质量之谜，但确切计算出这一项的产生方式及其大小是极其复杂的，而且你研究得越深入，它就变得越复杂。
最近的实验表明，质子有时可以观察到包含粲夸克，这尤其令人惊讶，因为粲夸克的质量比质子还大。
质子大小的测量几十年来一直存在争议：通过将电子散射到质子上测量，或通过观察氢原子中的电子直接穿过质子，你会得到不同的答案，而电子在正常情况下就是这么做的，因为在那个尺度上，所有事物都不再神圣。
随着新的先进计算技术的发展，我们正在取得进展。这些测量已经非常精确。如果我们能解开这个最基本的原子构件的奥秘，我们将更接近于理解支配现实的基本法则。或者，我们可能会在其中发现更离奇的东西。
本文译自 sciencefocus，由 BALI 编辑发布。