谈一谈原子核

李淼

物理学家有一种本领，他们会化繁为简，并得出结论：所有行星、所有恒星，甚至恒星之外的尘埃和分子云，都是由基本元素对应的原子构成的。那究竟什么是原子核呢？

我们的世界，充满了熟悉的东西和未知的东西。

你说当然，地球上还有很多你没有去过的地方，还有很多你没有见过的风景，你没有见过的不同的文化。事实上，我们对海洋深处、地球两极，还有很多不了解的东西。

物理学家有一种本领，他们会化繁为简。他们不关心地球的具体构造，但能了解到地球有多重，地球上各种元素的比例。他们甚至还了解到太阳中各种元素的比例，与太阳类似的各种恒星的元素比例。然后，他们将所有这些化繁为简，得出主要结论：所有行星、所有恒星，甚至恒星之外的尘埃和分子云，都是由基本元素对应的原子构成的。而所有原子，又是由原子核和电子构成的。原子核是由叫做核子的质子和中子构成的。质子和中子是由夸克构成的。在夸克之外，还有其他基本粒子。这些都是物理学家所熟悉的东西。

即使熟悉的东西，粒子物理学家也花了近一个世纪，才弄明白它们的基本构成。这一个世纪的努力自然可以写成一部史诗，即使将这部史诗缩短到十分之一的简写本，也可以写成一本书。

我们熟悉的东西，简单地说就是所谓的物质，而我们不熟悉的东西，叫暗物质和暗能量。暗能量最不可捉摸，我是研究暗能量的，但我不知道在我有生之年能不能看到暗能量的本质被揭开。暗物质相对暗能量也许更接近我们熟悉的东西，但也还属于未知领域，相对于我们熟悉的物质，宇宙中的暗物质要多出四倍到五倍，这些我们无法用肉眼和望远镜看到的暗物质，弥漫在像银河系一样的很多星系周围，有点像由物质组成的恒星的保护神。而所有可见的恒星和不可見的恒星际的原子分子物质，甚至白矮星和中子星，都是由我们熟悉的粒子构成。多数情况下，我们并不需要太多的粒子种类就可以解释这些恒星，比如说，宇宙间所有物质的四分之三是质子，当然为了使得整个宇宙是中性的，有多少质子就有多少电子，还有一些电子是为了补偿其他原子核，例如占物质总量接近四分之一的氦原子核。事实上，即使恒星也只占我们熟悉的物质的一小部分，这些物质粒子被物理学家统称为重子物质。

在地球上，天然存在至少98种元素，所有这些元素的原子核都是由质子和中子构成的，质子和中子叫重子，因为它们比电子重了近两千倍，所以普通物质被简化地称为重子物质，电子被无情地忽视了。而质子和中子都是由两种夸克构成，这两种夸克有两个普通得不能再普通的名字，上夸克和下夸克。夸克这个词的来历当然很文艺，是美国犹太物理学家默里·盖尔曼从乔伊斯的天书《芬尼根守灵夜》的一段诗得来的，“向麦克老大三呼夸克”，夸克在乔伊斯的书中也许只是海鸥叫声，而据盖尔曼自己说，他先有的是声音，然后在乔伊斯的书中才找到拼写的，可是盖尔曼并没有解释他怎么会先有声音的。无论如何，夸克就这样永恒地进入了物理学家的字典。上夸克和下夸克仅仅代表这两种夸克的一种数学分类，它们恰好在这种数学分类中一个位置在上一个位置在下。而每一种夸克其实带有三种不同的“颜色”，这就是为什么盖尔曼看到“三呼夸克”马上就采用乔伊斯的拼写的原因。

一个死硬还原论者，会继续追问夸克有没有可能是更加基本的东西构成的，因为除了构成质子和中子的上夸克和下夸克之外，还有四种夸克，这些夸克可以在粒子对撞机上产生。确实，物理学家们在过去几十年提出形形色色的理论，可惜的是，到目前为止，并没有一种被物理实验证实。

（抽文）

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