談一談原子核

李淼

物理學(xué)家有一種本領(lǐng)，他們會化繁為簡，并得出結(jié)論：所有行星、所有恒星，甚至恒星之外的塵埃和分子云，都是由基本元素對應(yīng)的原子構(gòu)成的。那究竟什么是原子核呢？

我們的世界，充滿了熟悉的東西和未知的東西。

你說當(dāng)然，地球上還有很多你沒有去過的地方，還有很多你沒有見過的風(fēng)景，你沒有見過的不同的文化。事實上，我們對海洋深處、地球兩極，還有很多不了解的東西。

物理學(xué)家有一種本領(lǐng)，他們會化繁為簡。他們不關(guān)心地球的具體構(gòu)造，但能了解到地球有多重，地球上各種元素的比例。他們甚至還了解到太陽中各種元素的比例，與太陽類似的各種恒星的元素比例。然后，他們將所有這些化繁為簡，得出主要結(jié)論：所有行星、所有恒星，甚至恒星之外的塵埃和分子云，都是由基本元素對應(yīng)的原子構(gòu)成的。而所有原子，又是由原子核和電子構(gòu)成的。原子核是由叫做核子的質(zhì)子和中子構(gòu)成的。質(zhì)子和中子是由夸克構(gòu)成的。在夸克之外，還有其他基本粒子。這些都是物理學(xué)家所熟悉的東西。

即使熟悉的東西，粒子物理學(xué)家也花了近一個世紀，才弄明白它們的基本構(gòu)成。這一個世紀的努力自然可以寫成一部史詩，即使將這部史詩縮短到十分之一的簡寫本，也可以寫成一本書。

我們熟悉的東西，簡單地說就是所謂的物質(zhì)，而我們不熟悉的東西，叫暗物質(zhì)和暗能量。暗能量最不可捉摸，我是研究暗能量的，但我不知道在我有生之年能不能看到暗能量的本質(zhì)被揭開。暗物質(zhì)相對暗能量也許更接近我們熟悉的東西，但也還屬于未知領(lǐng)域，相對于我們熟悉的物質(zhì)，宇宙中的暗物質(zhì)要多出四倍到五倍，這些我們無法用肉眼和望遠鏡看到的暗物質(zhì)，彌漫在像銀河系一樣的很多星系周圍，有點像由物質(zhì)組成的恒星的保護神。而所有可見的恒星和不可見的恒星際的原子分子物質(zhì)，甚至白矮星和中子星，都是由我們熟悉的粒子構(gòu)成。多數(shù)情況下，我們并不需要太多的粒子種類就可以解釋這些恒星，比如說，宇宙間所有物質(zhì)的四分之三是質(zhì)子，當(dāng)然為了使得整個宇宙是中性的，有多少質(zhì)子就有多少電子，還有一些電子是為了補償其他原子核，例如占物質(zhì)總量接近四分之一的氦原子核。事實上，即使恒星也只占我們熟悉的物質(zhì)的一小部分，這些物質(zhì)粒子被物理學(xué)家統(tǒng)稱為重子物質(zhì)。

在地球上，天然存在至少98種元素，所有這些元素的原子核都是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，質(zhì)子和中子叫重子，因為它們比電子重了近兩千倍，所以普通物質(zhì)被簡化地稱為重子物質(zhì)，電子被無情地忽視了。而質(zhì)子和中子都是由兩種夸克構(gòu)成，這兩種夸克有兩個普通得不能再普通的名字，上夸克和下夸克?？淇诉@個詞的來歷當(dāng)然很文藝，是美國猶太物理學(xué)家默里·蓋爾曼從喬伊斯的天書《芬尼根守靈夜》的一段詩得來的，“向麥克老大三呼夸克”，夸克在喬伊斯的書中也許只是海鷗叫聲，而據(jù)蓋爾曼自己說，他先有的是聲音，然后在喬伊斯的書中才找到拼寫的，可是蓋爾曼并沒有解釋他怎么會先有聲音的。無論如何，夸克就這樣永恒地進入了物理學(xué)家的字典。上夸克和下夸克僅僅代表這兩種夸克的一種數(shù)學(xué)分類，它們恰好在這種數(shù)學(xué)分類中一個位置在上一個位置在下。而每一種夸克其實帶有三種不同的“顏色”，這就是為什么蓋爾曼看到“三呼夸克”馬上就采用喬伊斯的拼寫的原因。

一個死硬還原論者，會繼續(xù)追問夸克有沒有可能是更加基本的東西構(gòu)成的，因為除了構(gòu)成質(zhì)子和中子的上夸克和下夸克之外，還有四種夸克，這些夸克可以在粒子對撞機上產(chǎn)生。確實，物理學(xué)家們在過去幾十年提出形形色色的理論，可惜的是，到目前為止，并沒有一種被物理實驗證實。

（抽文）

即使熟悉的東西，粒子物理學(xué)家也花了近一個世紀，才弄明白它們的基本構(gòu)成。endprint