夸克是什么物质构成（为什么物质最基本的组成部分可能不存在）

夸克是什么物质构成（为什么物质最基本的组成部分可能不存在）然而，尽管这些图片的细微差别，它仍然使物理学家的生活更容易认为粒子是存在于世界上的真实物体。但当夸克第一次被构思时，情况并非如此。从这种集体行为中，奇怪的粒子出现了。它们可以比电子重，或者只有电子电荷的一部分，或者完全相反的电荷。想想看，一个足球观众掀起了一股墨西哥人浪：体育场里仍然挤满了人，但一个外部观察者看到了一种新现象的出现，这种现象看起来不像是个别的足球迷。在粒子物理学中，这些装置被称为准粒子。寻找物质最基本的成分已经有几千年的历史了。希腊哲学家德谟克利特（Democritus）创造了一个新词来描述物质的基本单位：Atomos（原子），意思是不可分割的。虽然今天的物理学家在原则上同意德谟克利特的观点，但历史对他的术语开了一个玩笑。我们对原子的现代理解表明，它们是由称为电子的粒子组成的，这些粒子围绕着由质子和中子组成的原子核运行。而后两者实际上是由夸克组成的。人们很容易把这些粒子想象

“芬尼根的守灵”被誉为英语中最难读的小说之一。詹姆斯·乔伊斯(James Joyce)写了17年的书，它在虚构语法的结构中将虚构的单词与真实短语融合在一起。最后一行在句子中间结束-只是为了让你意识到接下来应该出现的单词是书的开头的那些单词。有人说这是乔伊斯重塑梦想的尝试。其他人则声称它根本没有任何意义。

那么，这可能看起来很奇怪，从这本最令人费解的书中拿出的一个无意义的词，竟然把它的名字命名为一种被称为现实的构成部分的粒子：夸克。在现代物理学中，夸克是指如果你能把一块物质一次又一次地切成两半，直到你不能再切出更多的东西，你就会发现夸克。

夸克是最基本的东西。但它们也非常奇怪。它们具有奇怪的量子特性，称为味和自旋。他们渴望彼此的陪伴，成双成对或三个聚集在一起。它们有一种特殊的电荷，不是正电荷或负电荷，而是色荷。

现在，为了与任何实验小说相比，似乎夸克实际上可能不存在。根据诱人的新研究，它们可能是一种幻觉，是我们尚未完全理解的量子诡计的产物。也许他们名字的荒谬起源终究是恰当的。对现实基础的探索可能会被证明是毫无意义和虚无缥缈的，就像一个记了一半的梦一样。

寻找物质最基本的成分已经有几千年的历史了。希腊哲学家德谟克利特（Democritus）创造了一个新词来描述物质的基本单位：Atomos（原子），意思是不可分割的。虽然今天的物理学家在原则上同意德谟克利特的观点，但历史对他的术语开了一个玩笑。我们对原子的现代理解表明，它们是由称为电子的粒子组成的，这些粒子围绕着由质子和中子组成的原子核运行。而后两者实际上是由夸克组成的。

人们很容易把这些粒子想象成像斯诺克桌上的球一样呼啸而过的微小球体，但我们很早就知道粒子比这更令人费解。问题开始于光线。几个世纪以来，科学家们对它的性质存在分歧，一些人认为它是一种稳定的粒子流，另一些人认为它是一种波浪。随着20世纪初期量子理论的出现，我们被迫接受的证据表明光可以根据情况呈现任何一种形式。同样的推理已经应用于光的光子，很快就扩展到了所有其他粒子。电子，质子，中子，甚至夸克，都可以说是以波和粒子的形式存在的。

从那以后，事情变得更加混乱。我们现在知道，在适当的条件下，粒子可以被诱使做一些更奇怪的事情。在某些特殊的激发物质中，电子可以合并成一个二维的海洋，在那里他们的个体身份会丢失。

从这种集体行为中，奇怪的粒子出现了。它们可以比电子重，或者只有电子电荷的一部分，或者完全相反的电荷。想想看，一个足球观众掀起了一股墨西哥人浪：体育场里仍然挤满了人，但一个外部观察者看到了一种新现象的出现，这种现象看起来不像是个别的足球迷。在粒子物理学中，这些装置被称为准粒子。

然而，尽管这些图片的细微差别，它仍然使物理学家的生活更容易认为粒子是存在于世界上的真实物体。但当夸克第一次被构思时，情况并非如此。

在20世纪50年代，出现的粒子比物理学家所知道的要多得多，它们从太空深处向我们滚滚而来，或者被粒子对撞机召唤而存在。它创造了一个杂乱无章的动物园，里面散布着不同质量、电荷和大小的粒子，这似乎是无法阻止的。解决混乱的见解是由三位研究人员分别开发出来的：穆雷·盖尔曼（Murray Gell-Mann），尤瓦尔·内曼（Yuval ne‘eman）和乔治·茨威格（George Zweig）。

他们注意到这些粒子中的许多遵循对称性，这表明它们都是由相同核心成分的不同组合产生的。

盖尔曼和其他人没有将动物园中的粒子作为基本实体，而是发明了一组新的小一点的粒子。有了这些夸克（盖尔曼创造了这个名字并获得了大部分的荣誉，他是唯一一个因为他的工作而获得诺贝尔奖的人），粒子物理学的混乱突然变得井然有序。“夸克概念的引入是革命性的。”英国利物浦大学的塔拉·希尔斯(Tara Shears)说，“行为上的相似性或对称性暗示着更深层次的结构，这是我们今天在研究中非常流行的观点。”

数学怪兽

起初，没有人确定夸克是真正的粒子还是只是一个有用的组织想法。在1972年的一次演讲中，盖尔曼警告他的听众不要调用“我们模型中的虚拟对象，这些对象最终会变成吞噬我们的真正的怪物”。

有两条证据表明夸克不仅仅是数学中的怪物。首先，物理学家向质子发射电子，注意到一些电子在广角反弹。这表明电子击中了质子内部的某样东西-类似夸克。更重要的是，盖尔曼的模型表明夸克的某些组合仍未被发现。就像德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)原始元素周期表中的间隙一样，这赋予了模型预测力。当丢失的粒子像预期的那样出现时，夸克模型的接受几乎得到了保证。

这是一个值得庆祝的时刻，但很多事情还不清楚。其中一个主要的谜团是，为什么某些夸克组合会发展，而另一些则不会。例如，你可以将夸克与其反粒子配对形成介子，或者将三个夸克粘合在一起形成重子，例如质子或中子。但是你不能很容易地产生一个由四五个夸克组成的复合粒子，也不能单独得到一个夸克。这是为什么呢？

答案在于夸克的一种被称为色荷的显著性质，它与我们在日常生活中想到的颜色无关。比利时布鲁塞尔自由大学的弗里亚·布莱克曼（Freya Blekman）说：“颜色是我们刚刚选择给它命名的东西，因为它是以三种形式出现的。”这些不同颜色的夸克-称为红、绿和蓝-可以坐在一起，因为它们的色荷相互抵消，类似于不同颜色的光混合在一起形成白色的方式。按照相同的逻辑，假设夸克和反夸克具有红色和反红色的电荷，它们可以放在一起。这也解释了为什么单夸克在探测器中不会从原子中脱落：没有它们的颜色伙伴，它们就太不稳定了。

到了20世纪70年代末，我们终于有了对夸克以及将它们结合在一起的力量的最完整的描述：量子色动力学(QCD)，它是以夸克所具有的色荷命名的。

量子色动力学并不完美。首先，使用它来计算最复杂的物理可能会非常耗时。芝加哥附近费米国家加速器实验室的露丝·范德沃特（Ruth Van de Water）说：“计算从开始到结束可能需要三年时间。”这就是为什么，她说，许多夸克集合的属性还没有用全量子色动力学来计算。相反，它们是使用不太复杂的模型完成的，这些模型并不能解释夸克可能具有的每一种相互作用。哈佛大学的物理学家霍华德·格奥尔基（Howard Georgi）说：“我们对量子色动力学的了解有点像试图通过感觉某一小部分来了解大象的样子。这种方法可以毫不费力地描述躯干，但在耳朵上却显得非常糟糕。”

这不是一个新问题。早在20世纪70年代，物理学家杰拉德·霍夫特（Gerard‘t Hooft）就在寻找一种使量子色动力学更易于处理的方法。他在准确性方面做出了大胆的妥协，基本上丢弃了量子色动力学方程中描述颜色的部分。范德沃特说，这大大简化了，让你可以进行更简单的计算。

当霍夫特尝试时，他发现它以惊人的精确度复制了介子的属性。格奥尔基说：“这非常令人兴奋。”

但是盖尔曼的怪物就要咬人了。把颜色这个词放在一边，夸克就不需要有三种颜色了。取而代之的是，它们可以有你喜欢的任意数量的颜色，甚至是无限数量的。而且因为夸克的集合只有在所有颜色都被平等表示的情况下才能达到稳定，无限数量的颜色意味着具有无限数量夸克的重子。

“无限多的颜色意味着无限多的夸克。这是有后果的“。

这是有后果的。每个夸克都有一种叫做自旋的量子性质。乘以夸克的数量，粗略地说，你乘上了最大自旋的量。在极端情况下，当所有夸克的自旋都对齐时，产生的重子自旋如此之多，以至于霍夫特的模型都难以描述它。这不仅适用于霍夫特想象的无限彩色世界中的粒子，而且也适用于现实世界中的一些粒子，例如不同寻常的δ 重子，它由三个具有对齐自旋的上夸克组成。

这个问题的解决方案来自一个不太可能的地方：弦理论，一个统一非常大的相对论物理和非常小的量子物理的框架。在21世纪初，弦理论家开始注意到他们的方程允许夸克做一些奇怪的事情。在某些情况下，它们可以承担一小部分通常的旋转。这是实验中从未见过的东西，也从未被量子色动力学预测过。它看起来像另一个数学怪物。然后几年前，人们开始看到量子色动力学也可以描述具有分数自旋的夸克。

现在，夸克的故事可能会发生更大的变化。去年，以色列魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute Of Science)的佐哈尔·科马戈德斯基(Zohar Komardogski)发现了一种将所有完全不同的夸克想法整合在一起的可能方法：使用霍夫特的无限颜色模型，但给予夸克自由进行分数自旋。物理学家承认，他的工作显示出独创性和技巧-但它也是极其复杂的。格奥尔基说：“我希望自己能更好地理解它。”

每个人都认同的是它开辟了新的领域。而霍夫特的模型不能解释奇异的高自旋粒子，科马戈德斯基的模型恰好做到了这一点。格奥尔基说：“它描绘的画面是完全不同的。”它不是一个三维的夸克簇，它是为了争夺位置，高自旋将重子拉到量子泡沫的二维薄饼中，其中出现具有分数自旋的夸克。

现实基础摇摇欲坠

这非常像墨西哥人浪在体育场中出现的方式，或者从电子集合中出现准粒子的方式。换句话说，这意味着这些粒子中的夸克根本不是基本的，而是量子泡沫行为的结果。科马戈德斯基说：“这就像一种新的物质状态，或者一种新的夸克状态。”我们一直都知道夸克是非常奇怪的野兽，在日常生活中几乎无法解释。

它们也可能非常有用。当霍夫特在20世纪70年代发展他的简化方法时，没有人担心它无法计算出像δ 这样的高自旋重子的性质。这是因为它们往往只存在于奇异的环境中，比如中子星的超高压内部。但今天，中子星处于物理学中最热门的领域之一：引力波天文学的中心。

在过去的几年中，LIGO合作探测到了空间中巨大物体碰撞时产生的引力波，包括黑洞吞噬中子星的例子。这些信号给我们提供了一扇新的宇宙之窗，但玻璃有点结霜。我们不能从中子星的质量以外的信号中推断出很多关于中子星的信息，主要是因为我们没有理论来描述它们是由强烈的压力物质组成的。

或者至少我们直到现在才知道。“科马戈德斯基的提议非常令人兴奋，因为它与这些恒星相关。”法国巴黎理论物理研究所的曼克·罗(Mannque Rho)说。他正试图将科马戈德斯基的工作发展成一种工具，可以与引力波信号一起使用，以产生一个方程，描述更多关于中子星的信息，包括它们的直径和密度。

实际应用只是故事的一部分。科马戈德斯基的工作也提出了关于夸克性质的深刻问题。如果在某些情况下夸克似乎是突然出现的，而不是基本的，这是否意味着所有的夸克都只不过是抽象的？如果是这样，那么现实到底是由什么构成的呢？

也许令人惊讶的是，科马戈德斯基本人仍然认为夸克是真实的，基本的物体。他将这种情况比作电子的奇怪行为：虽然有些情况下它们具有奇怪的性质，但这并不意味着我们需要完全束缚电子的概念。他说：“但每个人都有自己的观点。”

曼克·罗对此有不同的看法。他说：“夸克的基本性质在像稠密物质这样高度相关的系统中基本上失去了意义。我认为，夸克不再是基本的。”也许这不应该让人感到惊讶。大多数物理学家认为粒子物理的标准模型不能捕捉到关于现实的全部真相，特别是因为我们不知道为什么它是这样的。夸克可能代表着现实阶梯上的另一级，但我们还没有到达底部。我们可能又回到了起点。

怪异的夸克

粒子物理学的标准模型预测了六种夸克的存在，或者说六种味：上夸克，上夸克，粲夸克，奇夸克，顶夸克和底夸克。我们知道夸克可以改变味，但现在看来它们也有能力进行更彻底的转变。

意大利拉奎拉格兰萨索科学研究所(Gran Sasso Science Institute)的贝尼代塔·贝尔法托(Benedetta Belfatto)和她的同事分析了关于味变化的实验数据，发现一些夸克似乎正在消失。芝加哥附近费米国家加速器实验室的露丝·范德沃特说，一种可能性是一些夸克正在变成另一个我们从未见过的夸克，可能比我们所知的六个夸克中的任何一个都重。

夸克核

暗物质是物理学中最令人费解的谜团之一。它约占宇宙的27%，是一种无形的物质，只有通过它所施加的引力才能感觉到。但它是用什么做的呢？

夸克核，也被称为奇异物质，是由上夸克、下夸克和奇夸克组成的假设粒子，它们具有成为暗物质的适当性质。它们需要巨大的压力才能形成，但加拿大不列颠哥伦比亚大学(University Of British Columbia)的阿里尔·日特尼茨基(Ariel Zitnitsky)认为，他知道有什么可以做到这一点：一个假想的新领域，它将跨越整个宇宙，制造出压力足够大的气泡，从而产生双倍于暗物质的夸克核。

更具争议性的是，日特尼茨基认为夸克核可能正在与太阳内部的反粒子碰撞，释放出惊人的能量，并解释了为什么太阳的外层大气如此炎热。

五夸克和六夸克

在熟悉的粒子中，如质子和中子，夸克以三种颜色的集合出现。

理论上，五夸克的集合是有办法形成的，但没有人确定它们是否存在，直到2015年，瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的一个团队在探测器中捕捉到了其中一个夸克。

六夸克或七夸克会存在吗？首先，是的，绝对的存在。氘原子的核-氢的同位素-是六夸克。如果你能把五个夸克和两个反夸克挤进同一个物体，颜色限制的规则也会允许你有一个七夸克。