質(zhì)子內(nèi)部的驚人壓力

桑子

我們知道，原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子可以繼續(xù)分割為夸克。以質(zhì)子為例，它由3個夸克組成——2個上夸克、1個下夸克，夸克通過強(qiáng)核力結(jié)合在一起，異常的穩(wěn)定。然而，質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直是個謎團(tuán)。顯然，這些夸克既緊密結(jié)合著，又存在強(qiáng)大的排斥力，以免它們坍塌成一個點。

為了了解質(zhì)子和夸克的性質(zhì)，近日，美國托馬斯·杰斐遜國家加速器研究所的科學(xué)家首次測量了質(zhì)子內(nèi)部夸克之間的相互作用力。測量質(zhì)子內(nèi)部的壓力原本是不可能完成的任務(wù)，它的實現(xiàn)得益于兩種理論，一種叫做“廣義部分子分布”，它可以描述出質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維圖像；另一種叫做“引力形狀因子”，它可以測得質(zhì)子內(nèi)部夸克的能量和動量。結(jié)合這兩種理論，科學(xué)家只要用高能電子撞擊質(zhì)子，并且不斷加速電子直到電子可以穿刺質(zhì)子，通過對散射的電子和生成的光子的觀察，就能判斷夸克在質(zhì)子內(nèi)的受力情況。

實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子的內(nèi)部是一個類似于高壓鍋的環(huán)境，其外圍存在著一股較微弱的、范圍較大的、方向朝內(nèi)的壓力，但是在質(zhì)子的中心處，夸克竟然承受著1035帕斯卡的壓力，這個壓力是地球大氣壓的1030倍！我們知道，中子星是宇宙中密度僅次于黑洞的天體，超新星爆炸后質(zhì)量不足以產(chǎn)生黑洞時，其中的一種歸宿就是塌縮成中子星。中子星物質(zhì)的密度平均為每立方厘米1011次方千克，一小勺中子星物質(zhì)的質(zhì)量幾乎等于珠穆朗瑪峰的重量。如今，實驗顯示出質(zhì)子中心處的壓力竟然是中子星核心處壓力的10倍，壓力的數(shù)量級之大遠(yuǎn)超科學(xué)家的想象。接下來，研究人員將繼續(xù)研究質(zhì)子和夸克，希望能夠揭示微觀世界更多的秘密。