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第5章 一所特別的監獄(第2頁,共2頁)

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真是兩個奇怪的名字,雖然它們被用來形容最真實的本質,但因為離我們日常生活實在太遠,聽起來似乎毫無意義。然而,強相互作用力及其夸克和膠子關係到構成我們身體的大約99.97%的物質。如果一個六十公斤重的成人一下子失去了自己的夸克和膠子的話,他將一下子只重十八克。顯然,他肯定活不了。

要了解時至今日人類對自身的真相知道多少,或只想知道我們由什麼構成,我們就必須瞭解夸克與膠子。對我來說,這已經是一個開展研究的好理由了,更不要說它們將很快帶領我們旅行到時空誕生後大約一秒的世界。

我們已經提到過,這些新傢伙們屬於強相互作用場。顯然,這也是一個量子場,因此,我們先前在電子與光子身上發現的大多數詭異的量子行為——譬如,在此處消失,然後出現在彼處,也就是「隧穿」——在這裡也同樣存在。但我們需要強調的是,強相互作用場與電磁場不一樣,雖然它也充滿了整個宇宙。如果你願意的話,可以把它看成是另一種海洋,它的水滴是夸克與膠子,而不是電子與光子。沒什麼規定說粒子只能屬於一個海洋:帶有電荷時,夸克既屬於電磁場,又屬於強相互作用場。它們能與兩種不同的作用力攜帶者——光子和膠子——相互作用。但在短距離中,膠子的力量比光子強許多許多。

那麼這個新的海洋是個什麼東西?它的基本粒子是些什麼?

強相互作用場有六種不同的夸克。如果有足夠的能量,這六種夸克能夠在強相互作用場裡的任何地方任何時間出現。但在原子核中只有六種中的兩種。它們就是所謂的「上夸克」與「下夸克」。宇宙中所有的質子中都有兩個上夸克和一個下夸克,所以我們可以公平地說,質子「向上」的力量大於「向下」的,或許這就解釋了為什麼它們在自己亞原子監獄裡還能如此開心。

但質子並不是唯一的夸克監獄,正如你能夠在你的金原子裡看到的那樣。

縮微版的你對氫原子已經沒有多少興趣了,於是跳回剛才你切割寶貝的廚房桌子上。

你的金原子還在,於是你跳了進去。

深藏在七十九個旋轉著的電子下面的金原子核比氫原子核大了好多。為了與七十九個電子配對,你找到了七十九個質子。但還有其他模糊的小球圍繞或分隔這些質子。這些是不帶電荷的小球。你能數出一百十八個。

因為它們是電中性的,這些模糊的小球們被取名為「中子」。它們也是夸克監獄,它們是由英國物理學家詹姆斯·查德威克(sirjameschadwick)發現的,查德威克是那位傑出的盧瑟福的助手,他也因此於一九三五年獲得了諾貝爾物理學獎。

在每個質子中,膠子禁錮著兩個上夸克和一個下夸克。上夸克佔了多數。在中子裡則正好反過來:下夸克二比一領先上夸克。

那麼這些監獄又是怎麼疊在一起構成原子核的呢?它們為什麼不彼此分開或塌縮?那些質子可都是帶有正電荷的,它們應該彼此排斥才對啊。

但是沒有。為什麼?因為強相互作用場和它的作用力攜帶者不許它們分開,不過是通過一種很奇怪的方式。一種殘餘的方式。

縮微版的你大膽地決定靠近一點,仔細看看那些難以捉摸的膠子如何將夸克禁錮在質子之中,以理解上面那段話是什麼意思。它們就在那裡,你沒法看得太清楚,但你可以用瑜伽的方式感覺到。它們出現然後消失,防止夸克自己跑開。

突然,發生了一件非常奇怪的事。

某樣東西離開了。有東西跳出了質子。那是什麼?膠子?畢竟,這沒有什麼不可以。它們是守衛,不是囚犯……

但是,不對,不是膠子。

不管怎麼說,好像不是自己走掉的。

你將自己瑜伽的感知力再次提高……這就是了。

膠子恰巧不是那種自己離開的東西。它們必須找到另一個膠子配對,一個朋友。當遇見合適的那位時,它們變成了另一種東西……

你環顧四周,就在那裡,你的左邊,兩個夸克之間,再次發生。

一個膠子從背景場中出現,它的朋友也來了,另一個膠子,它倆合在一起……啪!就像光能變成電子,這兩個膠子將自己變身為兩個夸克!一對沒被膠子束縛的夸克雙胞胎!它們自由了,作為全新的粒子,它們離開了它們所屬的夸克監獄!

你看著它們離開。

它們衝著鄰近的夸克監獄奔去。實際上它們已成為另一種作用力的攜帶者,一種並不作用於夸克,而是作用於夸克監獄本身的作用力。當它們到達夸克監獄時,它們又變回膠子,在自己消失前開始守衛那裡的夸克……

正是因為存在這種交換,中子與質子才能共存於原子核中。利用從一個監獄跑去另一個監獄的方式,兩個膠子變成的夸克確保了原子核的穩定。

參與交換的粒子,那對穿行於監獄之間的夸克雙胞胎被稱為「介子」。它們所攜帶的作用力被稱為「強核力」。這是一種吸引力,非常強大的吸引力。

日本理論物理學家湯川秀樹早在實驗發現介子存在之前很久就已預言了它們的存在,他因此獲得了一九四九年的諾貝爾物理學獎。

還有一個有趣的插曲,存在於所有質子和中子內部的夸克和膠子的這些糾纏,正是造成我們很早以前就已提過的丟失的質量的原因,正是這些丟失的質量讓恆星發光。

你現在已經很熟悉了,在恆星中,小的原子融合在一起變成更大的原子。也就是說恆星們將中子與質子們聚攏在一起,而且與分開時相比,這些中子和質子們一旦聚在一起,就不需要那麼多虛擬膠子來守護它們的夸克(或介子來守衛它們的監獄)。有點像兩個公司合併後,一些員工崗位就重複了,有些員工就會因此失業……在恆星核心,多餘的膠子與介子也被解僱。因為它們帶有一些能量,而且能量就是質量,解僱它們就意味著聚合而成的新原子核質量會變小。這就是為什麼所有因聚變而產生的原子核比聚變前原子核各自重量之和要輕。這點與現實生活中解僱員工不同,然而,這些丟失的質量變成能量讓恆星閃耀,其兌換率就是e=mc²。

在恆星內部深處,引力的能量被用來合成原子,這個過程又會讓質量被轉化成光和熱,以及其他許多雖然存在但無法被我們眼睛看見的粒子。雖然我們生活中的大多數真相都隱藏在我們的感官之外,但一切都在我們的宇宙中被聯絡到了一起。

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