互动科普

物理学家早已知道是胶子把夸克“粘”在一起，构成了质子和中子，进而组成了世间万物。但胶子究竟如何发挥作用仍然是个谜。

利用可以窥探质子和中子内部的实验方法，科学家发现，它们里面好像有一支训练有素的粒子乐队。这些粒子包括3个夸克、数目不断变化的胶子和一些被称为“海夸克”的粒子，其中海夸克是成对出现的夸克和反夸克（反夸克是与夸克对应的反物质），它们时而现身、时而消失。在宇宙中，我们发现由夸克组成的粒子不仅仅是质子和中子。在过去的半个多世纪以来，加速器实验已经创造了大量的由夸克和反夸克组成的粒子。这些粒子和质子、中子一起被统称为强子。

尽管我们已经知道了这么多，而且对单个夸克和胶子间的相互作用规律也有了相当深入的认识，但令人遗憾的是，物理学家还是无法用夸克和胶子全面地解释质子、中子和其他强子的所有属性和行为。比如，把质子内部夸克和胶子的质量加起来并不等于质子的总质量，质子剩下的质量从何而来仍是一个谜。另外，我们想明确知道胶子是如何将夸克结合在一起，以及为什么这一结合机制依赖于夸克携带的一种特殊的色荷（色荷是夸克和胶子的一种性质，这种性质影响它们之间的强相互作用，可以类比于影响带电粒子间相互作用的电荷。色只是一种形象的表达，跟一般意义上的颜色没有任何联系）。我们也不知道质子的自旋是如何通过其内部夸克和胶子的自旋组合出来的（自旋是描述粒子转动的可观测物理量）。令人感到匪夷所思的是，质子自旋并不等于夸克和胶子自旋的简单相加。

质子的质量从何而来

质量起源之谜是物理学家最头痛的问题之一，并提供了一个很好的例子来说明夸克和胶子的运作方式是多么令人困惑不解。夸克和轻子（包括电子在内的一类粒子）获得质量的机制我们已经很清楚了。是希格斯粒子，或者说遍布整个宇宙的希格斯场让这些粒子得到了质量。2012年，希格斯粒子在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上首次被发现，曾引起相当大的轰动。当粒子穿过希格斯场时，通过与希格斯场的相互作用获得了质量。人们通常会说希格斯机制是可见宇宙的质量起源，其实这种表述并不正确。夸克的质量仅占质子和中子质量的2%。我们认为，其余98%的质量来自于胶子的作用。但胶子如何帮助质子和中子获得质量并不容易解释，因为胶子本身没有质量。

解决该谜题的一条线索是爱因斯坦将粒子静止质量与能量联系在一起的著名方程。反推质能方程，可以得到这样一个公式：m = E/c2，我们从中可以看出质子的静止质量m其实就来源于能量E，以光速为单位的话，它们就是相等的。理论上，由于质子的能量几乎全来自胶子，所以我们只需计算出胶子的能量就可以计算出质子的质量。

然而胶子的能量很难计算。部分原因在于，它们的总能量是数个分量加在一起的和。对于一个自由粒子（不与任何粒子相互作用），它的能量就是它的动能。但夸克和胶子几乎从不单独存在。它们只在短到无法想象的时间尺度内（小于3×10–24秒）才是自由粒子，然后就会迅速与其他亚原子粒子结合而从我们的视野中消失。另外，胶子的能量不仅仅来自于运动。胶子用来把自己和夸克束缚在一起，形成一些长寿命粒子所需的能量也是胶子能量不可分割的一部分。所以，解决质量谜题需要我们对胶子的“胶水功能”有更深的认识。但是胶子设置了众多障碍，阻止我们破译它们的秘密。

胶子的“黏性”从何而来

从某个层面看，胶子为何能把夸克粘在一起的答案很简单：它们掌握着强相互作用力。但这种力本身却令人迷惑。

强相互作用力是自然界四种基本相互作用力之一。另外的三种力分别是引力、电磁力和弱相互作用力（弱相互作用力在放射性衰变中起作用）。目前，在这四种相互作用力中，强相互作用力是最强大的力（这就是它名字的由来）。强相互作用力除了能将夸克结合成强子外，它还能克服原子核中带有相同电荷的质子之间的巨大电磁排斥力，把质子和中子结合成原子核。自然界中每一种基本的相互作用力都对应着一个粒子，也就是所谓的力的携带者。就像光子（光的基本单元）是电磁力的携带者一样，胶子是强相互作用力的携带者。

到这里都还没问题。但是，强相互作用力的行为有时候让人感到很惊讶。根据量子力学，一种力的作用范围与携带这种力的粒子的质量成反比。举个例子，电磁力的作用范围是无穷大的。原则上，地球上的一个自由电子能感受到月球另一面一个电子施加的轻微的排斥力。这是因为携带着电子之间排斥力的光子是无质量的。与电磁力截然不同，强相互作用力的作用范围只有原子核那么大。这意味着胶子的质量应该很大。然而，胶子是没有质量的。

强相互作用力还有个古怪的性质，就是夸克之间距离越远，它们之间的吸引力就越大。与此相反，两块磁铁靠得越近电磁力越强，离得越远电磁力越弱。在20世纪60年代，物理学家在斯坦福直线加速器中心（现在称为SLAC国家加速器实验室）用高能量的电子轰击质子靶，首次观测到了夸克。有时候，电子直接穿过质子靶。但有时候，电子会撞到某种坚固的东西而反弹回来。通过观测电子弹回的速度和角度，物理学家知道质子内部确实存在夸克，并推断出它们的分布情况。这就是所谓的深度非弹性散射（缩写为DIS）实验。这些实验表明，夸克间距离很近时，彼此之间的吸引力很弱；但分开得较远时，就找不到自由夸克了，这暗示着距离较远时，夸克之间的吸引力十分强大。

为了形象的展示强相互作用力的性质，可以想象两个夸克之间连接着一根橡皮筋。当两个夸克靠近时，橡皮筋是松弛的，夸克之间几乎没有相互作用力。当它们分隔得很远时，橡皮筋的张力会把它们束缚在一起。当夸克之间的距离大约等于质子的直径时，它们之间的吸引力等于16吨物体的重力。但是，用外力克服强相互作用力的吸引时会发生什么呢？这根“橡皮筋”会突然断裂。橡皮筋是如何发生断裂的，也是一个我们还无法很好解释的谜。要解释为什么胶子的“黏性”只在原子核内部发挥作用，而不会影响原子核外部，这个谜就是关键所在。

为什么有的粒子有“颜色”

在20世纪70年代，物理学家创立了一种可以在数学上描述强相互作用力的理论，名为“量子色动力学”。就像电磁力围绕电荷发挥作用一样，按照量子色动力学理论，强相互作用力是以“色荷”为中心的。色荷的概念虽然有助于说明为何强相互作用力和电磁力的表现截然不同，但是，它也带来一些新的难题——比如，为什么有的粒子带有色荷，有的粒子却又不带色荷而是“色盲”呢？

在量子色动力学中，夸克和胶子均带有色荷。所有带色荷的粒子通过交换胶子发生相互作用。这意味着不仅夸克之间可以来回交换胶子，胶子之间也可以交换胶子。量子色动力学的这个特点相对于电磁力学来说是一个大的飞跃——光子与光子之间是没有相互作用的，一个尘土飞扬的房间内纵横交错的光束可以清楚地展示出这一点。物理学家认为，胶子的自相互作用是强相互作用力在距离较近时变弱的关键原因。一个胶子可以暂时地变成一对夸克和反夸克，或者变成一对胶子，然后又变回成一个胶子。变成夸克－反夸克对时，色荷之间的相互作用会变得更强，而变成胶子对时则会变弱。因为在量子色动力学中，后者这样的胶子振荡比夸克交换更为普遍，所以胶子振荡占了主导地位。正是由于这个发现，物理学家戴维· J· 格罗斯（David J. Gross）、弗兰克· 维尔切克（Frank Wilczek）和H·戴维·波利策（H. David Politzer）摘得2004年诺贝尔物理学奖的桂冠。

在量子色动力学诞生后的几十年里，世界各地的实验物理学家已经确认该理论是标准模型的支柱之一。然而，量子色动力学的众多细节仍然难以捉摸。举个例子，虽然质子中的三个夸克分别带有红、绿、蓝三种色荷之一，但质子本身没有净色荷。同样地，π介子（通常称为π粒子）中的夸克和反夸克带有色荷，但π粒子本身是无色荷的。强子的色中性类似于原子的电中性。然而，原子的净电荷为零很显然是质子的正电荷与电子的负电荷中和的结果，而在量子色动力学中，带色荷的夸克和胶子如何结合成不带色荷的强子却尚不清楚。

量子色动力学理应也能解释，为什么质子和中子能克服质子之间的强大电磁排斥力在原子内粘在一起。但是，尽管有了一些进展，通过量子色动力学研究原子核物理仍然极富挑战。解决这些问题的障碍很顽固，因为在长距离上，夸克胶子之间的相互作用变得特别强，令量子色动力学方程刁钻难解。另外，量子色动力学方程是怎样确保带色荷的夸克和胶子被禁闭在无色荷的强子中的，这个问题还缺少数学证明。色禁闭效应确确实实是一个字面意思上的“百万美元问题”——它是克莱数学研究所（Clay Mathematics Institute）提出的六个著名难题之一。任何能提供答案的人都可以获得100万美元的奖金。

为什么胶子不会一直分裂下去

量子色动力学有一个惊人的推论：我们所熟知的质子，其内部的胶子和夸克的数目可以发生幅度相当大的变化。除了三个基本的夸克外，数量不断变化的胶子就像一群飞来飞去的萤火虫，一闪一闪地出现又消失掉；同样，夸克和反夸克对也在不断形成和消失。不断出现和消失的粒子形成了一种“量子泡沫”。物理学家认为，当质子和中子达到极快的速度时，质子内部的胶子会分裂成新的胶子对，新胶子的能量比原胶子的能量略小。新产生的子胶子接着又会分裂出更多的子胶子，并携带更少的能量。胶子的分裂好像一个失控的爆米花机。理论上，分裂会一直持续下去——但我们知道事实并非如此。

如果胶子不断地“生出”更多的胶子，“爆米花机”的盖子会被炸掉——换句话说，质子将会变得不稳定并瓦解。因为物质明显是稳定的（要不然我们也不会存在），所以一定有什么东西遏制住了这个失控的连锁反应——但到底是什么东西呢？有一个观点认为，自然规律会在胶子变得特别多，以至于开始在质子内部挤压重叠时发出一个“满员”的信号。强大的自相互作用会使胶子相互排斥，因而能量较低的胶子会重新合并为能量较高的胶子。当胶子数目增长速度逐渐减缓，胶子就会达到分裂和合并保持平衡的稳定状态。这种状态被称为胶子饱和，这样一来“爆米花机”也就得到了控制。

这种猜想的饱和胶子状态通常被称为色玻璃凝聚态，是宇宙中某些最强相互作用力的 “蒸馏精华”。目前我们只发现了一些表明它存在的迹象，并且对它的性质知之甚少。用比当前实验能量更高的深度非弹性散射实验来探测这种物质状态，物理学家可以在胶子处于密度最大、最为极端的状态时对其进行研究。限制色玻璃凝聚体内部胶子数目的力场和把质子约束在一起的禁闭场是不是同一种场呢？如果是的话，观测同一种场在不同环境中的行为也许能够让我们对胶子如何产生这种力场获得新的认识。

质子的自旋从何而来

另外一个关于夸克和胶子的谜团是，它们的自旋如何组合出它们母粒子的总自旋。所有的强子都有自旋，类似于陀螺绕其轴转动时的转动能量。存在自旋的强子在强磁铁的磁场中会发生进动，自旋不同，进动的旋转方向就不同。

探查质子自旋的实验表明，夸克贡献了质子总自旋的30%左右。这种强子剩余的自旋从何而来呢？质子可视为一个沸腾的夸克和胶子海洋，这表明它其余的自旋可能来自胶子的贡献。但是用极化质子（自旋与运动方向相同或者相反）撞击其他极化质子的实验表明，胶子的自旋仅贡献了一个质子自旋的20%——意味着其余50%的自旋来源仍然不明。

用天体做类比，为这个问题提供了一个可能答案。太阳系的角动量既包含行星绕其轴自转的角动量，也包括它们绕太阳公转的角动量。禁闭在质子中的夸克、反夸克和胶子同样做着轨道运动。要知道这种轨道运动对角动量的贡献有多大，我们必须测量质子内部夸克和胶子的速度和位置。本文作者恩特参与的实验项目就是要研究这个问题，这个项目将会用极高强度的电子束流进行深度非弹性散射实验。从细节层次来看，我们正在亚飞米量级（小于10-15米）上给物质拍摄3D电影。

奇异的物质状态

为了理解夸克和胶子相互作用的真实本质，我们不仅要研究一些熟悉的组态，比如质子、中子和其他的已知粒子，还要研究它们所有的可能状态。量子色动力学允许质子和中子之外的一些奇特强子态存在。模拟表明，有可能存在一些新的不带色荷的强子，例如“胶球”（只包含胶子）、两对夸克－反夸克组成的“分子态”和混杂态（夸克、反夸克和胶子的束缚态）粒子。这些奇特强子态的实验证据很有限，目前得到确认的仅有几个四夸克分子态候选者。不过，得益于世界各地即将进行的实验研究，这样的状况也许将要发生巨大的改变。值得一提的是，美国托马斯· 杰斐逊国家加速器中心的一个名为“GlueX”的专用设备即将开始运行。

物理学家最近发现了物质的另外一种极端状态，即“夸克－胶子等离子体”。它是在接近光速的原子核对撞时形成的。理论家猜测两个原子核中的高速中子和质子撞击时，它们的色玻璃凝聚体会碎裂，夸克和胶子的禁闭被破坏，从而把凝聚态能量释放出来，创造出一团高温的夸克和胶子。这种等离子体是地球上制造出的最热的物质，温度高于4万亿摄氏度。惊人的是，这种物质流动几乎没有阻力——最多也仅有水的流动阻力的1/20。

夸克－胶子等离子体与早期的宇宙极为相似。在已经制造出了这种等离子体的实验室（布鲁克海文国家实验室和欧洲核子研究中心的大型强子对撞机）中，科学家现在可以研究宇宙中尺度最小且最理想的流体。通过观察这种等离子的冷却过程，本文作者乌尔里克和韦努戈帕兰以及其他科学家得以认识宇宙演化的秘密。利用这种方法把质子和中子摧毁得到等离子体，研究者还可以研究色禁闭的逆过程，从而解开夸克和胶子如何结合之谜。

未来之路

理想的话，物理学家希望能完整地测量出质子和中子内的胶子和夸克的位置、运动以及自旋信息。这些信息可以帮助我们计算夸克和胶子对它们母粒子总质量和总自旋的贡献。这样的测量将会让我们深入了解把质子和中子结合在一起的夸克和胶子活动。测量这些信息需要能观测夸克－胶子的飞米显微镜，这种类似显微镜的深度非弹性散射工具，将会在仅有质子半径千分之一的尺度上窥探宇宙的结构。在美国，托马斯·杰斐逊国家加速器中心和布鲁克海文国家实验室正在为一个飞米显微镜项目寻求资助和批准，这个显微镜要用电子撞击极化质子和铅原子核。与以前用高速电子轰击静止原子核靶的实验不同，在这个机器中，电子和原子核均会被加速到接近光速，然后进行对撞。

这个电子－离子对撞机（简写为EIC）计划将会把对撞强度提升到前所未有的水平。这意味着对撞束流团中的粒子挤得非常的紧密，而粒子数量如此之大，发生碰撞的频率就会远超以前的实验。EIC的碰撞频率会提高到之前一个深度非弹性散射实验的1 000倍以上，从而让研究者获得大量不同的质子和中子内部快照。

在量子色动力学建立后的四十多年来，物理学家在解释强相互作用力本身的行为方面取得了长足的进步，也了解了我们对夸克和胶子动力学的认识还有何欠缺。但我们还没有填补上缺失的环节，构建出一个关于胶子如何发挥黏合作用的简单并自洽的理论。当前正在发展的技术给了我们希望，再过40年左右，我们终将破解宇宙的一个关键谜题——物质在最基本的层次上是如何构成的。