【趣说夸克】 夸克

  “套娃”是俄罗斯最具民族特色的手工艺品,不过其历史不过百余年,是19世纪末一位艺术家受一种类似的日本民间玩具的启发而创作的。关于套娃还有许多美丽的传说。相传俄罗斯民族有两家表亲相邻,表兄妹童年相伴长大,后来表兄远走他乡,由于思念家乡的表妹,每年做一个木娃娃,一年比一年做的娃娃大。数年后,见到表妹就将一排木娃娃送给表妹以表达思念之情,后经人模仿。传称套娃,又叫“吉祥娃娃”。
  今天在这里我不是给同学们介绍套娃的来历,而是由“套娃”联想到“物质的内部结构”。物理学家对物质的认识是不断深入的过程,在不同的阶段对物质的结构有不同的认识。
  19世纪接近尾声的时候,玛丽・居里打开了原子的大门,证明原子不是物质的最小粒子。很快科学家就发现了两种亚原子粒子:电子和质子。
  1932年,詹姆斯・查德威克发现了中子,这次科学家们又认为发现了最小粒子。
  20世纪30年代中期发明了粒子加速器,科学家们能够把中子打碎成质子,把质子打碎成为更重的核子,观察碰撞到底能产生什么。
  20世纪50年代,唐纳德・格拉泽(Don-ald Glaser)发明了“气泡室”,将亚原子粒子加速到接近光速,然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子(氢原子核)后,质子分裂为一群陌生的新粒子。一些粒子从碰撞点扩散时,都会留下一个极其微小的气泡,暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身,却可以看到这些气泡的踪迹。
  1952年。默里・盖尔曼24岁时,他决定集中精力研究气泡室图像里的奇怪粒子。通过气泡室图像,科学家可以估测每个粒子的大小、电荷、运动方向和速度,但是却无法确定它们的身份。默里・盖尔曼认为,如果应用关于自然的几种基本概念,就可能会弄清楚这些粒子。他先假定自然是简单、对称的。他还假定像所有自然界中其他的物质和力一样。这些亚原子粒子是守恒的(即质量、能量和电荷在碰撞中没有丢失,而是保存了下来)。
  用这些理论做指导,盖尔曼开始对质子分裂时的反应进行分类和简化处理。他创造了一种新的测量方法,称为“奇异性(strang-ness)”。盖尔曼发现自己可以建立起质子分裂或者合成的简单反应模式。但是有几个模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意识到如果质子和中子不是固态物质。而是由3个更小的粒子构成,那么他就可以使所有的碰撞反应都遵循简单的守恒定律了。
  经过两年的努力,盖尔曼证明了这些更小的粒子肯定存在于质子和中子中。他将之命名为“k-works”,后来缩写为“kworks”。之后不久,他在詹姆斯・乔伊斯的长诗《芬尼根之觉醒》中又找到一句话:“向麦克老人三呼夸克”。盖尔曼借其中的“夸克”为自己的假想命名。夸克是译音,意思是海鸟的叫声。盖尔曼把夸克借用过来,无非是一语双关,说明每一个强子(中子和质子是强子的一种)都有3种夸克。实际上“夸克”是组成物质的基本粒子。想象固然浪漫,盖尔曼提出夸克模型却是经过理论分析的,而且分析得很有道理。慢慢地,盖尔曼的理论被大多数人接受了。
  读到这里,大家能否明白,我为什么会由“套娃”想到了“物质的内部结构”了吧?
  它们之间有着一些微妙的相通之处,比如套娃内部有更小的套娃,一个一个打开里面还会有越来越小的套娃,就好比是原子内部还有原子核和电子,而原子核的内部还有更小的质子和中子,质子和中子还是由更小的夸克组成。
  夸克这种组成我们宇宙的基本粒子被广为人知。但是至今依然有人坚持不相信夸克的存在。这又是为什么呢?这是因为它们具有一些不同寻常的性质,你无法直接看到夸克。夸克永远被禁闭在了中子和质子中。你无法单独把它们提取出来研究。因此从这个方面来讲。它们确实有点特殊。这就是为什么人们一开始就很难相信它的缘故。
  对于一个普通人而言我们应该如何来想象夸克?被束缚在原子中的小球?在经典物理中,你可以把夸克想象成“点”。而在量子力学中,夸克就不再是一个点了,它会具有很大的“弹性”。有时它表现的会像是一个点,但有时它又会弥散开,有时甚至它会像“波”。
  那么。当粒子在对撞机中相互碰撞的时候是个什么样子?它们会不会像我们熟识的桌球那样碰撞呢?当然这取决于物理条件。在非常高能的情况下,两个碰撞的粒子之间不会发生反弹,相反它们的碰撞会产生大量的粒子。你会看到大量往各个方向飞散的粒子,这可能和现实更接近一点。也许你会认为这类似一个苹果和一个橙子之间的碰撞会产生香蕉一样。
  其实,也不是。你会得到所有类型的东西,小苹果、小橙子,还有香蕉、葡萄……
  随着时间的流逝,物理学家发现了越来越多的粒子。
  新的发现,带来了新的希望,同时也带来了新的问题:
  物质的最小结构就是夸克吗?在现在看来夸克虽然不可再分,但是,未来随着科学技术的发展,一切都是有可能的。现代物理学特别是高能天体物理学的发展表明,极小尺度的夸克与极大尺度的宇宙有着非常紧密的联系。认识夸克对于我们人类认识宇宙有着举足轻重的作用。
  
  在2004年诺贝尔奖颁奖典礼上,一个美女和一个俊男上台,两人手里各抓住一条红色绸带的一端。当他们两人靠近的时候,绸带松垂着,两人之间很自由,彼此不受束缚;但是当两个人身体分开并向后仰,使得绸带绷紧了的时候,他们就不自由了,而且不能分开,这就是夸克的特性“渐近自由”理论:夸克彼此之间离开得越远,它们之间的相互作用力就越大:当它们靠得很近的时候反而相互作用很小,非常自由。简单说就是:越靠近越自由;离开得越远就越不自由,而且永远不能把它们分开……2004年诺贝尔委员会颁奖时用一出小品如此诠释夸克“渐近自由”理论。它的发现使我们对夸克的认识更了进一步!
  同学们,让我们一起加入到探索宇宙奥秘的大军中,说不定,下一个诺贝尔奖台上的美女或者俊男就是你!