原子內(nèi)部到底發(fā)生了什么？

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沒人真正知道原子內(nèi)部發(fā)生了什么事，但兩組相互競(jìng)爭(zhēng)的科學(xué)家認(rèn)為他們已經(jīng)弄清楚了。兩組科學(xué)家都在爭(zhēng)相證明他們的觀點(diǎn)是正確的。

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我們可以確定的是：電子在原子外殼的 "軌道 "上旋轉(zhuǎn)，有一大堆空的空間。然后，就在這個(gè)空間的中心，有一個(gè)小小的原子核——一個(gè)由質(zhì)子和中子組成的密集結(jié)點(diǎn)，給原子提供了大部分的質(zhì)量。這些質(zhì)子和中子聚集在一起，被所謂的強(qiáng)力所束縛。?而這些質(zhì)子和中子的數(shù)量決定了原子是鐵、氧還是氙，以及它是放射性還是穩(wěn)定性。

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不過，沒有人知道這些質(zhì)子和中子（合稱核子）在原子內(nèi)部的行為。在原子外部，質(zhì)子和中子有確定的大小和形狀。它們每一個(gè)都是由三個(gè)被稱為夸克的更小的粒子組成的，這些夸克之間的相互作用是如此強(qiáng)烈，以至于任何外力都不應(yīng)該能夠使它們變形，即使是原子核中粒子之間的強(qiáng)大力量也不行。但幾十年來，研究人員都知道這個(gè)理論在某種程度上是錯(cuò)誤的。實(shí)驗(yàn)表明，在原子核內(nèi)部，質(zhì)子和中子看起來比它們應(yīng)該大得多。物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)展出兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的理論，試圖解釋這種奇怪的不匹配，而每一種理論的支持者都非?？隙▽?duì)方是不正確的。然而，兩個(gè)陣營都同意，無論正確的答案是什么，都必須來自于他們自己以外的領(lǐng)域。

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華盛頓大學(xué)的核物理學(xué)家杰拉爾德-米勒（Gerald Miller）告訴《現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)》，至少從20世紀(jì)40年代開始，物理學(xué)家們就知道核子在核內(nèi)緊密的小軌道上運(yùn)動(dòng)。核子在運(yùn)動(dòng)中被限制住了，它們的能量非常小。它們不會(huì)有太大的彈跳，受制于強(qiáng)大的力量。

1983年，歐洲核子研究組織（CERN）的物理學(xué)家注意到了一些奇怪的事情。米勒說，電子束從鐵上反彈的方式 與它們從自由質(zhì)子上反彈的方式截然不同。這一點(diǎn)出乎意料；如果氫里面的質(zhì)子和鐵里面的質(zhì)子大小一樣，電子應(yīng)該以同樣的方式反彈。

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起初，研究人員不知道他們在觀察什么。

但隨著時(shí)間的推移，科學(xué)家們開始相信這是一個(gè)大小問題。出于某種原因，重核內(nèi)的質(zhì)子和中子表現(xiàn)得好像比在核外時(shí)大得多。研究人員將這一現(xiàn)象稱為EMC效應(yīng)，以歐洲穆子合作組織意外發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的小組的名字命名。?它違反了現(xiàn)有的核物理學(xué)理論。

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麻省理工學(xué)院的核物理學(xué)家亨有一個(gè)理論，有可能解釋發(fā)生了什么。

他認(rèn)為，雖然構(gòu)成核子的亞原子粒子夸克在特定的質(zhì)子或中子內(nèi)部強(qiáng)烈地相互作用，但不同質(zhì)子和中子中的夸克彼此之間不能有太多的相互作用。核子內(nèi)部的強(qiáng)力非常強(qiáng)大，它使核子與其他核子之間的強(qiáng)力黯然失色。

"想象一下，坐在你的房間里和你的兩個(gè)朋友關(guān)著窗戶聊天，"亨說。

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房間里的三人是中子或質(zhì)子里面的三個(gè)夸克。

"外面吹來一陣輕風(fēng)，"他說。

那股輕風(fēng)就是將質(zhì)子或中子與附近 "窗外 "的核子聯(lián)系起來的力量。亨說，即使有一點(diǎn)從關(guān)著的窗戶里偷偷溜走，也幾乎不會(huì)影響到你。

而只要核子呆在自己的軌道上，情況就是這樣。然而最近的實(shí)驗(yàn)表明，在任何時(shí)候，核子中約有20%的核子其實(shí)是在其軌道之外。相反，它們與其他核子成對(duì)，在 "短程相關(guān) "中相互作用。他說，在這種情況下，核子之間的相互作用比平時(shí)的能量高得多。這是因?yàn)榭淇舜链┝藛蝹€(gè)核子的壁，開始直接相互作用，而這些夸克-夸克相互作用比核子-核子相互作用要強(qiáng)大得多。?

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亨說，這些相互作用打破了單個(gè)質(zhì)子或中子內(nèi)部分隔夸克的墻壁。構(gòu)成一個(gè)質(zhì)子的夸克和構(gòu)成另一個(gè)質(zhì)子的夸克開始占據(jù)同一空間。亨說，這導(dǎo)致質(zhì)子（或中子，視情況而定）拉伸和模糊。它們?cè)鲩L了很多，盡管時(shí)間很短。這歪曲了核內(nèi)整個(gè)群落的平均大小，即產(chǎn)生.EMC效應(yīng)。

亨說，現(xiàn)在大多數(shù)物理學(xué)家都接受EMC效應(yīng)的這種解釋。而與亨合作進(jìn)行一些關(guān)鍵研究的米勒也表示同意。

但并不是每個(gè)人都認(rèn)為亨的小組把問題解決了。伊利諾伊州阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的核物理學(xué)家Ian Clo?t認(rèn)為亨的工作得出的結(jié)論，數(shù)據(jù)并不能完全支持。

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"我認(rèn)為EMC效應(yīng)仍未解決，"Clo?t告訴《現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)》，這是因?yàn)楹宋锢韺W(xué)的基本模型已經(jīng)解釋了亨所描述的許多短程配對(duì)。然而，"如果你用這個(gè)模型來嘗試研究EMC效應(yīng)，你將無法描述EMC效應(yīng)。用那個(gè)框架是無法成功解釋EMC效應(yīng)的。所以在我看來，還是一個(gè)謎。"

亨和他的合作者正在做的實(shí)驗(yàn)工作是 "英勇的 "和 "非常好的科學(xué)"，他說。但它并沒有完全解決原子核的問題。

"很明顯的是，傳統(tǒng)的核物理模型無法解釋這種EMC效應(yīng)，"他說。"我們現(xiàn)在認(rèn)為，解釋一定來自于QCD本身。"

QCD是量子色動(dòng)力學(xué)的縮寫——管理夸克行為的規(guī)則體系。從核物理轉(zhuǎn)向QCD，有點(diǎn)像同一張圖片看兩次：一次在第一代翻蓋手機(jī)上看——核物理，另一次在高分辨率電視上看——量子色動(dòng)力學(xué)。高分辨率電視提供了更多的細(xì)節(jié)，但它的構(gòu)建要復(fù)雜得多。

Clo?t和Hen都認(rèn)為，問題是描述一個(gè)原子核中所有夸克的完整QCD方程太難解決了。據(jù)Clo?t估計(jì)，現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)距離足夠快的任務(wù)還有100年左右的時(shí)間。他說，即使今天超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度足夠快，這些方程也沒有發(fā)展到可以將它們插入計(jì)算機(jī)的地步。

他說，還是可以用QCD來回答一些問題。而現(xiàn)在，他說，這些答案為EMC效應(yīng)提供了不同的解釋。核平均場(chǎng)理論。

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他不同意核子中20%的核子被束縛在短程相關(guān)中的說法。他說，實(shí)驗(yàn)就是不能證明這一點(diǎn)。而且這個(gè)想法在理論上也有問題。

他說，這表明我們需要一個(gè)不同的模型。

"我所掌握的情況是，我們知道在一個(gè)原子核內(nèi)部有這些非常強(qiáng)大的核力"，Clo?t說。 "有點(diǎn)像電磁場(chǎng)，只不過它們是強(qiáng)力場(chǎng)"。

這些場(chǎng)在如此微小的距離上運(yùn)行，以至于它們?cè)诤送獾牧考?jí)可以忽略不計(jì)，但它們?cè)诤藘?nèi)卻很強(qiáng)大。

在Clo?t的模型中，這些力場(chǎng)，他稱之為 "平均場(chǎng)"（因?yàn)樗鼈兯鶖y帶的綜合強(qiáng)度），實(shí)際上會(huì)使質(zhì)子、中子和離子（一種攜帶強(qiáng)力的粒子）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形。

"就像如果你把一個(gè)原子放在一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)里面，你會(huì)改變這個(gè)原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，"Clo?t說。

換句話說，平均磁場(chǎng)理論家認(rèn)為亨所描述的密封房間的墻壁上有洞，風(fēng)吹過將夸克吹得四處亂竄，將它們拉伸。

Clo?t承認(rèn)，有可能短程相關(guān)性很可能解釋了EMC效應(yīng)的一部分，而亨說，平均場(chǎng)很可能也起到了作用。

"問題是，哪個(gè)占主導(dǎo)地位，"Clo?t說。

與Clo?t合作也很廣泛的Miller說，平均場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)在于理論基礎(chǔ)更扎實(shí)。但他說，Clo?t還沒有進(jìn)行所有必要的計(jì)算。

而現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)證據(jù)的重要性表明，亨有更好的論點(diǎn)。

亨和Clo?t都表示，未來幾年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以解決這個(gè)問題。亨引用了弗吉尼亞州杰斐遜國家加速器設(shè)施正在進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)將把核子一點(diǎn)一點(diǎn)地靠近，并讓研究人員觀察它們的變化。Clo?t說，他希望看到一個(gè) "極化EMC實(shí)驗(yàn)"，它將根據(jù)參與實(shí)驗(yàn)的質(zhì)子的自旋（一種量子特征）來分解效應(yīng)。他說，這可能會(huì)揭示出該效應(yīng)中看不見的細(xì)節(jié)，從而有助于計(jì)算。

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三位研究人員都強(qiáng)調(diào)，這場(chǎng)辯論是友好的。

"這很好，因?yàn)檫@意味著我們?nèi)匀辉谌〉眠M(jìn)展，"米勒說。"最終，有些東西會(huì)在教科書中，球賽結(jié)束了。... 事實(shí)上，有兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的想法意味著它是令人興奮和充滿活力的。而現(xiàn)在，我們終于有了解決這些問題的實(shí)驗(yàn)工具。"

FY：Charon

作者：Rafi Letzter

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