彭洋现在哪里就诊 http://m.39.net/news/a_9168797.html每个好奇的孩子在某个时候都会问一个问题，“这是什么东西做成的？”似乎每种成分都是由其他越来越基本的成分组成，并且尺度越来越小。人是由器官组成的，器官是由细胞组成的，细胞是由细胞器组成的，细胞器是由分子组成的。一段时间以来，我们认为原子是物质组成的基本粒子——毕竟它们以希腊语τομο命名，字面意思是“不可切割”——因为每种类型的原子都有其独特的物理和化学性质。
图注：质子的内部结构，上面显示有夸克，胶子和夸克自旋。核力的作用就像弹簧，未拉伸时的力可忽略不计，而拉开较大距离时的吸引力却很大。据我们所知，质子是真正稳定的粒子，从未观察到它会衰变。
但是实验告诉我们，原子是由原子核和电子组成的，而这些原子核可分为质子和中子。最后，现代实验高能物理的出现告诉我们，即使质子和中子也有较小的粒子组成：夸克和胶子。您经常会听到，每个核子（如质子或中子）内部都有三个夸克，并且这些夸克交换胶子。但这根本不是全部，实际上，如果您问“质子是由夸克或胶子组成的吗”，答案取决于您的询问方式。这是质子内部真正重要的部分。
如果您把一个带电粒子靠近一个电子，则电子会以一种特定的力（静电力）吸引或排斥它，这种力只与两件事直接相关：粒子的电荷及其与电子的距离。如果您进行了完全相同的实验，但是用了一个质子而不是一个电子，那么您得到的力将与带电粒子在第一个实验中所经历的力相等且相反。原因？质子的电荷与电子的电荷相等且相反。
因此，您可能会想，如果我们测量质子和电子的磁矩会怎样？粒子可以具有固有的角动量（称为自旋），电子是没有内部结构的基本粒子，其磁矩与电荷、质量、光速和普朗克常数成正比。那么，您可能会认为，如果仅用质子的质量代替电子的质量，并翻转符号（来自相反的电荷），就会得到质子的磁矩。同样，由于中子是中性的，因此您可能希望其磁矩为零。
图注：像所有自旋1/2费米子一样，电子在磁场中时有两种可能的自旋取向。它们的带电但类似点的性质描述了它们的磁矩并解释了它们的行为，但是质子和中子并不遵循相同的关系，表明了它们的复合性质。
但这根本不是大自然给我们的，这是一个重要的线索，质子和中子不是最基本的粒子。相反，质子的磁矩几乎是天真预期的三倍，而中子的磁矩约为质子值的三分之二，但符号相反。
这里发生了什么？
如果您考虑质子和中子本身不是基本的点状粒子，而是由多个带电成分组成的复合粒子的可能性，那么事情就更有意义了。大自然可以通过两种方式产生磁矩。第一个是来自粒子固有的角动量或自旋，就像我们对电子所具有的那样。但是，第二种情况发生在我们有电荷在空间中物理移动的时候。移动电荷产生电流，而电流感应出磁场。就像绕原子核运行的电子产生自己的磁矩一样，单个质子（或中子）内部的带电成分粒子也会贡献质子（或中子）的磁矩，此外，内部粒子的固有电荷和自旋也有贡献。
这是间接的证据，在我们直接探查质子和中子的内部结构之前，它们一定是由更小，更基础的组成粒子组成的。
另一个线索来自早期的实验，该实验涉及将低能质子（当时被认为是“高能”实验，但今天被认为是“低能”实验）碰撞到其他粒子中，然后检测出了什么。除了这些碰撞产生的碎片（您知道，其他质子、中子和电子之类的东西）之外，我们还能够检测到以前从未见过的新型粒子。
有些是中性的，有些是带正电荷的，有些是带负电荷的。一些在衰变之前存活了几十纳秒，而另一些只存活了几分飞秒：比寿命更长的粒子少十亿分之一。但是它们都比质子或这些新发现的粒子被称为介子（或π介子），它们分为三种类型：π+，π-和π0，对应于它们的电荷。它们比质子和中子轻，但显然来自与其他质子和中子的碰撞。
如果质子和中子是基本的，这些东西怎么存在？
坂田昭一（ShoichiSakata）提供了一个绝妙的想法（但是，破坏者是不正确的）：质子和中子，以及它们的反粒子对应物，可能是存在的唯一基本事物。也许您是通过以下方式创建这些中介的：
π+粒子是质子和反中子的复合束缚态，π-粒子是反质子和中子的复合束缚态，π0粒子是质子-反质子与中子-反中子的结合状态的混合物。中子轻得多，而比电子或介子重。
对此最大的反对意见是，介子的质量远小于质子或中子（仅占其质量的15％），以至于负结合能如何能去除那么多质量尚不清楚。
当我们开始建造高能对撞机时，解决方案将在稍后提出，这使我们能够用足够的能量将粒子粉碎成质子，以真正找出内部的东西。这些深层的非弹性散射实验表明，质子内部确实存在单个结构，并且单个基本粒子（如电子）将以不同方式从它们中散射出来。
在实验方面，这些被称为部分子(partons)，而夸克的理论思想在理论方面站得住脚，解释了物质的内部结构以及质子、中子、小子和许多其他粒子的组成，这些粒子后来在年代和年代被发现。我们现在知道，部分子(partons)和夸克是一样的东西，并且：
质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由一个上夸克和两个下夸克组成，π+由上夸克和反下夸克组成，π-由反夸克和反夸克组成，且π0粒子是上/下抗夸克和下/上反夸克的混合体。
但是这些夸克只是故事的一小部分。除了电荷（上夸克的电荷为+e，下夸克的电荷为-e，反夸克的电荷相反，且其中e是电子电荷的量）外，夸克还具有色荷：一种新型的电荷，负责强大的核力。此力必须大于各个夸克之间的电排斥力，否则质子会简单地飞散开来。
它的工作方式令人着迷，并且有点违反直觉。在量子场论中，电磁力是通过带电粒子之间的光子交换而产生的。同样，强核力是通过在带电粒子之间交换胶子而产生的。尽管静电力在无限距离处变为零，但随着两个粒子越接近而变得更强，则当粒子非常接近时，该强力变为零，但当它们拉开时，其强度变得更大（如拉伸的弹簧）。这些因素的结合导致质子的大小（约0.84飞米）和质量（MeV/c2），其中只有约1-2%的质量来自组成它的三个上下夸克。
在当今的现代高能对撞机上，我们将质子以极高的能量粉碎成其他质子：与之相对应的能量以高达99.％的光速运动。根据结果，我们可以判断出是什么相互作用。
它是来自一个质子的夸克与来自另一个质子的夸克相互作用吗？它是来自一个质子的夸克与来自另一个质子的胶子相互作用吗？还是来自一个质子的胶子与来自另一个质子的胶子相互作用？我们发现有趣的是答案取决于碰撞能量！
较低的能量碰撞主要由夸克-夸克相互作用引起，几乎所有的夸克都是您所期望的：上下夸克。
更高的能量碰撞开始使夸克-胶子相互作用除夸克-夸克相互作用之外的百分比更高，并且某些夸克在自然界中可能变成奇夸克甚至粲夸克：较重，不稳定的，第二代表亲较轻的第一代上下夸克。
在更高的能量下，您将成为胶子-胶子相互作用的主导者。例如，在大型强子对撞机中，记录下来的所有碰撞中，有90％以上被重建为胶子-胶子相互作用，而涉及夸克的碰撞只占很小的一部分。
这告诉我们的是，质子的图像与量子宇宙中的几乎所有其他事物一样，根据我们的观察方式而变化。当我们进入更高的能量时，我们看到质子从点状变为具有内部结构。我们看到内部结构最初是由三个（价）夸克组成的，但是这让内部的情况更加复杂：由胶子和夸克-反夸克组成的“海洋”开始出现。能量越高，我们发现的内部粒子越多，包括具有较高静质量（例如较重的夸克）的粒子，最终只有一部分胶子完全占据主导地位。
您在高能条件下观察，内部粒子“海洋”就会显得越密集，这种趋势一直持续到并包括我们曾经用来探测物质的最高能量。在低能状态下，质子在本质上更“夸克”，而在高能状态下，则是“胶子”占主导。
我喜欢通过将质子内部的三个价夸克视为点，并将与之碰撞的质点以波浪的形式直观地理解这一点。在较高的能量下，它的波长更短，因此与质子的大小相比，它开始变小。在较低能量下，波长更大，很难避免所有这些夸克：就像推移板游戏（用推杆将圆盘推至推移板上的不同得分区）中将一块披萨石沿游戏路线移动一样。
但是在更高的能量下，波长会缩小。现在，您可以沿着同一路线滑动一个一角钱的硬币，而不是披萨石。您仍然有可能击中这些夸克，但压倒性地，您更有可能在夸克之间的“海”中击中某些东西，其中绝大部分由胶子组成。
许多物理学家想知道这种趋势持续到多深。在越来越高的能量下，我们是否会继续遇到越来越稠密的夸克和（主要是）胶子的海洋？还是我们会到达某种新颖有趣的事物出现的地步，如果是，它将是什么？在哪里？我们发现唯一的方法是看得更远：发生更多的碰撞，如果人类有实现这一愿望的意愿，则需要更高的能量。质子内部的“胶子”比“夸克”更多，但是谁知道在我们当前的边界之外真正存在于内部的是什么？
