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我们能造出三体人的秘密武器“水滴”吗?

2017-09-22曹俊 郭万磊

科学大众(中学) 2017年7期
关键词:夸克核子原子核

曹俊 郭万磊

在刘慈欣的科幻小说《三体》中,三体入其实从未与人类谋面,几百年内,三体人赖以威慑、奴役地球人的,是两颗质子大小的“智子”和一个3.5米长的“水滴”探测器。

“智子”是间谍,除传话外,还负责扰乱高能加速器,锁死人类的基础科学研究。“水滴”则充当杀手,它依靠简单的撞击,在30分钟内歼灭了人类的太空武装力量——2000艘恒星级战舰及百万太空军。

在书中,“水滴”是用“强相互作用力材料”制造的,它不像眼泪那样跪弱,相反,它的强度比太阳系中最坚固的物质还要高百倍,这个世界中的所有物质在它面前都像纸片般跪弱,它可以像子弹穿透奶酪那样穿过地球,表面不受丝毫损伤。

如果我们想要仿制出三体人的这种秘密武器,那么,最关键的问题是要找到这种“强相互作用力材料”,可是,它真的存在吗?

想要了解“水滴”,得先了解夸克

我们现在知道,自然界共有4种基本力:强力、电磁力、弱力、引力。到了微观层面,“力”的概念不再像日常生活中碰到的力那样,而是表现为粒子跟粒子之间的“相互作用”,因此又称为强相互作用、电磁相互作用等。我们世界中的所有物质,其实都是电磁力维系的,而强力的强度是电磁力的100倍。假设存在靠强力来维系的材料,自然比现在最坚固的物质还要坚固百倍。

如果把原子比作构建物质世界的砖块,我们的世界就是由100多种不同的“砖块”搭建而成。原子其实是块“空心砖”,它由更小的砖块——原子核和核外电子构成。原子核的直径仅为原子的几万分之一,绝大部分空间都是空的。原子核又由更小的质子和中子组成。从强力的角度看,质子和中子几乎是一样的,因此统称“核子”。如果压缩掉电子与核子之间的虚空,比如由恒星内核塌缩而形成的中子星,密度就高得惊人。将地球上的所有海水压缩成这种物质,其大小刚够填满北京的“水立方”游泳馆,而渤海的海水则刚好可以装进《西游记》里观音净瓶那般大小的瓶子。

核子也不是最小的砖块,它由更小的“夸克”组成。夸克共有6种,再加上电子、缪子、陶子,以及对应的3种中微子,这12种粒子(还有它们的反粒子)才是物质世界最小的“砖块”。

只有夸克才参与强相互作用。强力的作用范围很小,只发生在原子核内部。把多个核子束缚我们的世界就是由不同的粒子组成的供图,视觉中国成原子核的核力,也不是真正的强力,而是强力的剩余作用。我们已知的所有材料都由原子组成,而原子的尺度远远超过强力的作用范围。原子核和核外电子通过电磁力维系,因此材料强度都由电磁力决定。

要形成“强相互作用力材料”,首先夸克之間要靠得足够近,进入强力的力程范围,不能被电子分割成遥远的“小岛”。中子星倒是满足这个条件。不过,中子星的物质形态仍然是一个个的中子,并不是“强相互作用力材料”。如果不是极大的引力挤压,它马上就会烟消云散。

除了质子和中子,强相互作用还能形成哪些东西?由强相互作用形成的粒子,称为“强子”,包括两类,一类由3个夸克(或者3个反夸克)组成,称为“重子”,例如质子和中子;另一类由一对正反夸克组成,称为“介子”。重子中,只有质子和待在核内的中子是稳定的,其他都不能稳定存在,在加速器或者宇宙射线的撞击中偶然产生后,转瞬即逝。而所有介子都不能稳定存在。

那么问题来了,为什么只有这两类呢?为什么不能有2个夸克组成的粒子,或者有100个、1万个夸克组成的材料呢?老实说,我们迄今也没搞清楚。

我们有一个很好的描述强力的理论,称为“量子色动力学”,它基于量子场论,是关于红、绿、蓝3种“色”量子数的“动力学”理论。原则上,它可以精确预言夸克能组成什么样的粒子,精确预言“强相互作用力材料”是否存在,性质如何。在能量很高的时候,它确实能够做出准确预言,并得到了大量实验证实。但不幸的是,将夸克束缚成粒子的过程,相对而言能量较低,量子色动力学很难求解。同时,我们迄今也不理解为什么带“色”的粒子不能单独存在——组成一个粒子的夸克,其“色”必须中和,称为“色禁闭”。正是因为存在这些不解之谜,我们现在还不能准确预言强力能形成哪些粒子和物质,需要更多的实验数据、发展新的计算方法。

“强相互作用力材料”原来就是它

尽管不能精确求解量子色动力学,人们还是可以通过一些近似来建立模型。有些模型就预言了重子和介子以外的粒子。几十年来,对这样的新粒子的寻找就在真真假假的实验信号中磕磕绊绊地进行。2004年的国际高能物理大会上,据传为“五夸克态”的Theta粒子被否定,总结发言的英国理论物理学家Frank Close将20多位歌颂“五夸克态”的理论家嘲笑了一通。然而,201 3年北京正负电子对撞机上发现了一个既不属于重子也不属于介子的新粒子Zc(3900),很可能是一个四夸克态,被美国物理学会杂志《物理》评为当年十一项重大成果之首。2015年,清华大学利用欧洲大型强子对撞机发现了一个新粒子,被认为是五夸克态。此外,还有一种可能存在的新粒子,由传递强力的胶子组成,称为“胶子球”,但至今仍然没有找到。

这些新粒子告诉我们,强力也可以将超过3个的夸克束缚在一起。如果像大量原子排列形成晶体那样,大量夸克由强力直接束缚成材料,那就是我们寻找的“强相互作用力材料”。正如前文所说的,量子色动力学很难求解,只能依靠模型来预言是否存在新粒子或者“强相互作用力材料”,而模型往往不那么可靠,又需要实验来验证或者调节参数。

踪迹难寻的奇异夸克物质

20世纪70年代初,有科学家认为,当物质密度足够高时,组成核子的“上夸克”和“下夸克”可以部分转换成另一种夸克——“奇异夸克”,形成“奇异夸克物质”,由数量大致相同的上夸克、下夸克、奇异夸克以及少量的电子组成,可能是能量更低、更稳定的状态。就像铁元素可以是一个原子,可以组成一块铁板,也可以构成一颗恒星的星核一样,奇异夸克物质可能跟核子差不多重,称为“奇异子”;也可能由上千上万个夸克排列组成,称为“奇异核素”;甚至可以比太阳还重,称为“奇异夸克星”。

1984年,著名理论物理学家爱德华·威腾进一步证明,在很大的参数空间内奇异夸克物质绝对稳定,也就是说,理论上它很可能是存在的。其他的科学家也得到了相似结论,并给出奇异夸克物质的密度约为每立方厘米4亿吨。

假如奇异夸克物质确实存在,也只有极其剧烈的过程才可能产生,比如宇宙大爆炸、超新星爆发、中子星的碰撞或者超高能宇宙线与地球的相互作用。科学家还尝试将重离子加速到极高能量,通过碰撞人工产生奇异子。

奇异夸克物质远远重于普通原子核,因此有很多独特的性质,可以用来寻找它的踪迹。国际空间站上的阿尔法磁谱仪,曾利用磁场作用下的运动轨迹寻找过单个的奇异子。

奇异核素拥有比奇异子更强的穿透能力,质量重于0.1克的奇异核素能够轻松地穿透地球。在穿过岩石等普通物质时,奇异核素会与其径迹上的原子发生弹性碰撞,形成高温等离子体激波,温度可达1万度以上。这样一来,奇异核素就会在普通物质中留下烧蚀径迹并发出光。如果奇异核素穿过的物质是地球大气或是透明的水,这些光就会被我们的肉眼或是实验仪器观测到。

位于地中海的ANTARES中微子实验就在寻找奇异核素穿过深海时产生的光,不过他们找到的疑似事例大部分都是由海洋发光生物造成的。基于烧蚀径迹这一特点,意大利格兰萨索国家实验室的MACRO实验和玻利维亚5千米高原上的SLIM实验也在寻找奇异核素。美国在实施阿波罗计划时在月球上放置的5个地震观测站,也被用来寻找奇异核素。还有人提出,1908年通古斯大爆炸可能就是由奇异核素导致的。

也许奇异夸克物质根本就不存在,但从现有的理论模型看,它是可以有的。万一真的存在呢?

(责任编辑:白玉磊 责任校对:夏越)endprint

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