「夸克」最大的物理学未解谜题之一
著者：黄姤
@天体生物学 / @太空生物学
「夸克」是什么？
「夸克」，就是组成我们这个世界的最基本的粒子，至少目前物理学家认为是这样的，万事、万物的底层是原子，原子的内部有原子核和外面的电子，原子核又是由质子和中子组成的，但是这样的一个问题又可以追问下去--质子和中子又是如何构成的？
答案就是：「夸克」。
质子和中子都各自是由3个夸克结合在一起形成的，夸克非常小，它的尺度令人难以置信，夸克的半径和质子相比要小2000倍，而质子的半径大约是沙粒半径的2.4万亿分之一，所以这是一个极其渺小的存在，它和电子以及其他的轻子一样，是不可以再分割的，也就是说到目前为止，据所建立的物理知识，「夸克」以下不再有别的结构。
「夸克」是在1964年最早由加州理工学院的理论物理学家默里·盖尔曼（1929年9月15日—2019年5月24日）和另外的一位同事兹威格各自独立提出的，他们当时正在研究质子和中子，发现要想解释这两种粒子的有一些物理性质，只能认为它们的内部还有更小的粒子就是夸克。「夸克」这个有趣的名字正是盖尔曼提出的。到了1967年~1973年间，人们终于在斯坦福加速器中心进行了实验，验证了「夸克」的真实存在。
「夸克」有一个奇异的性质
你可以探测它，可以观察它，但是却不能把它们单独的取出来，夸克和电子都是基本粒子，但电子是很基本的一个单元，我们不仅可以观察电子，也可以独立的取出电子，甚至操纵电子，但是对于夸克这是做不到的。我们不可以从原子核的质子或中子当中拿出一个独立的夸克，这一点是做不到的，这个现象叫做「夸克禁闭」。
既然夸克是禁闭的，我们又如何观察它？
可以用别的粒子来作为道具，测量道具就是——电子。
电子在加速器上获得巨大的速度，直接深入到粒子的内部可以探测到原子核的深处，这样原子核内部结构的夸克就可以和电子发生相互作用，当我们从外面看到了电子的行为的时候，就可以反向推测出原子核内部的夸克的性质和结构。这就好比说原子核像一个核桃，核桃非常的坚硬，我们永远没有办法把它打开，但是我们可以把它放在CT扫描仪上，通过断层扫描看到里面的情况，大体上夸克就是这样被识别出来的。
除了「夸克禁闭」，夸克还有一些非常奇异的地方
「夸克」具有分数电荷，也就是说上面带的电荷单位不是整数的，不是1或者-1，而是1/3、2/3这样的分数单位。
「夸克」按照质量从大到小排列一共有6种类型，物理学家把它称为「味·flavor」，大家不要误会，不是日常生活当中吃到的苦、辣、酸、甜、咸，这只是一个比喻而已，用它来形容夸克的质量属性。
「夸克」还有另外一种更加奇怪的属性，物理学家们只好再去找一个词来形容，最后他们找到的这个词汇叫「颜色·color」。「夸克」是有色彩的，这个色彩同样不是我们日常生活中看到的红红绿绿，它只是一种比喻，比喻 夸克的一类性质，术语上叫做「色荷」，引入色属性就是为了来解释或形象的比喻夸克的颜色禁闭。
夸克的类型
夸克有6种类型，其中哪一种类型还对应着一个反粒子，也就是「反夸克」，故此是12种情况，在这12种情况里边，人们发现有一些夸克可以组合在一起形成稳定的存在，而另外一些是无论如何不能放在一起的。
物理学家为了描述夸克分组结合的这种定向规律，就引入了「色荷」属性，夸克的色有3种：红、绿、蓝，而它们的反粒子也就是「反夸克」对应的是反红、反绿、反蓝。在「色荷」力学当中，物理学家们规定夸克组合在一起，只有当它们的「色荷」最后浓缩的结果是白色或者说是无色的情况下才能够存在。红、绿、蓝是三原色，所以当具有红色色荷、蓝色色荷和绿色色荷的三个夸克合在一起的时候，就可以认为它们是白色或者是没有颜色，它们就能稳定的存在。
另外一种情形是正夸克和反夸克。正红、反红或者是正绿、反绿这样的颜色组合在一起的时候也认为是无色的，只有无色的组合才可以最后存在，凡是搭配在一起出现了颜色夸克就不能存在，这叫做「夸克颜色禁闭」。
连接夸克的胶水
质子和中子是最稳定的由夸克结合形成的粒子，它们刚好都是由3个三原色夸克形成的稳定组，正是因为夸克不能显示单独的颜色，所以我们永远无法从原子核当中取出一个独立的夸克，夸克的微小和它蕴藏能量的巨大形成了一对矛盾，后来在此基础上，物理学家们提出夸克的连接需要一种强力的胶水，这种胶水也是一种粒子，叫做「胶子」。
胶子就是强相互作用力的提供者，简单地说就是它们把夸克绑在一起，胶子也有许多奇妙的特征，比如一种叫做「胶子饱和」的现象，当两个质子和两个重离子以很高的能量碰撞的时候，在它们中间的某个区域会出现高密度的胶子，这是非常值得探测的，原因在于这个时候的胶子会表现出一种整体一致性的行为属性，这一点就像是我们在早高峰或晚高峰搭乘地铁一样，整个车厢里塞了人，这个时候一旦有一个人摔倒，周围的人即使不挨着他，也可以感觉到他的动作，原因是大伙密密麻麻地紧密排列在一起，所有的动作都可以传播开来，这样的高密度的致密性使得整个胶子区域像一块玻璃，所以它也叫做「色玻璃凝聚态」，这正是实验物理学家当前最关注的一个观测现象，假如我们能够在大型对撞机上找到这样的凝聚态，这一定是一个伟大的发现，而这一点也是关于夸克最大的未解谜题之一。
当然说到谜题，大伙的心中一定还有一个问题想问的——都说夸克是最基本的粒子，那谁来保证这一点，夸克的内部还会不会存在更精细的结构呢？
对此我只能告诉您——物理学不知道答案。
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