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芬尼根的守靈被譽為英語中最難讀的小說之一。詹姆斯·喬伊斯 (James Joyce) 寫了 17 年的書，它在虛構(gòu)語法的結(jié)構(gòu)中將虛構(gòu)的單詞與真實短語融合在一起。最后一行在句子中間結(jié)束 - 只是為了讓你意識到接下來應(yīng)該出現(xiàn)的單詞是書的開頭的那些單詞。有人說這是喬伊斯重塑夢想的嘗試。其他人則聲稱它根本沒有任何意義。
那么，這可能看起來很奇怪，從這本最令人費解的書中拿出的一個無意義的詞，竟然把它的名字命名為一種被稱為現(xiàn)實的構(gòu)成部分的粒子：夸克。在現(xiàn)代物理學(xué)中，夸克是指如果你能把一塊物質(zhì)一次又一次地切成兩半，直到你不能再切出更多的東西，你就會發(fā)現(xiàn)夸克。
夸克是最基本的東西。但它們也非常奇怪。它們具有奇怪的量子特性，稱為味和自旋。他們渴望彼此的陪伴，成雙成對或三個聚集在一起。它們有一種特殊的電荷，不是正電荷或負電荷，而是色荷。
現(xiàn)在，為了與任何實驗小說相比，似乎夸克實際上可能不存在。根據(jù)誘人的新研究，它們可能是一種幻覺，是我們尚未完全理解的量子詭計的產(chǎn)物。也許他們名字的荒謬起源終究是恰當(dāng)?shù)摹ΜF(xiàn)實基礎(chǔ)的探索可能會被證明是毫無意義和虛無縹緲的，就像一個記了一半的夢一樣。
尋找物質(zhì)最基本的成分已經(jīng)有幾千年的歷史了。希臘哲學(xué)家德謨克利特（Democritus）創(chuàng)造了一個新詞來描述物質(zhì)的基本單位：Atomos（原子），意思是不可分割的。雖然今天的物理學(xué)家在原則上同意德謨克利特的觀點，但歷史對他的術(shù)語開了一個玩笑。我們對原子的現(xiàn)代理解表明，它們是由稱為電子的粒子組成的，這些粒子圍繞著由質(zhì)子和中子組成的原子核運行。而后兩者實際上是由夸克組成的。
人們很容易把這些粒子想象成像斯諾克桌上的球一樣呼嘯而過的微小球體，但我們很早就知道粒子比這更令人費解。問題開始于光線。幾個世紀(jì)以來，科學(xué)家們對它的性質(zhì)存在分歧，一些人認為它是一種穩(wěn)定的粒子流，另一些人認為它是一種波浪。隨著 20 世紀(jì)初期量子理論的出現(xiàn)，我們被迫接受的證據(jù)表明光可以根據(jù)情況呈現(xiàn)任何一種形式。同樣的推理已經(jīng)應(yīng)用于光的光子，很快就擴展到了所有其他粒子。電子，質(zhì)子，中子，甚至夸克，都可以說是以波和粒子的形式存在的。
從那以后，事情變得更加混亂。我們現(xiàn)在知道，在適當(dāng)?shù)臈l件下，粒子可以被誘使做一些更奇怪的事情。在某些特殊的激發(fā)物質(zhì)中，電子可以合并成一個二維的海洋，在那里他們的個體身份會丟失。
從這種集體行為中，奇怪的粒子出現(xiàn)了。它們可以比電子重，或者只有電子電荷的一部分，或者完全相反的電荷。想想看，一個足球觀眾掀起了一股墨西哥人浪：體育場里仍然擠滿了人，但一個外部觀察者看到了一種新現(xiàn)象的出現(xiàn)，這種現(xiàn)象看起來不像是個別的足球迷。在粒子物理學(xué)中，這些裝置被稱為準(zhǔn)粒子。
然而，盡管這些圖片的細微差別，它仍然使物理學(xué)家的生活更容易認為粒子是存在于世界上的真實物體。但當(dāng)夸克第一次被構(gòu)思時，情況并非如此。
在 20 世紀(jì) 50 年代，出現(xiàn)的粒子比物理學(xué)家所知道的要多得多，它們從太空深處向我們滾滾而來，或者被粒子對撞機召喚而存在。它創(chuàng)造了一個雜亂無章的動物園，里面散布著不同質(zhì)量、電荷和大小的粒子，這似乎是無法阻止的。解決混亂的見解是由三位研究人員分別開發(fā)出來的：穆雷·蓋爾曼（Murray Gell-Mann），尤瓦爾·內(nèi)曼（Yuval ne‘eman）和喬治·茨威格（George Zweig）。
他們注意到這些粒子中的許多遵循對稱性，這表明它們都是由相同核心成分的不同組合產(chǎn)生的。
蓋爾曼和其他人沒有將動物園中的粒子作為基本實體，而是發(fā)明了一組新的小一點的粒子。有了這些夸克（蓋爾曼創(chuàng)造了這個名字并獲得了大部分的榮譽，他是唯一一個因為他的工作而獲得諾貝爾獎的人），粒子物理學(xué)的混亂突然變得井然有序。夸克概念的引入是革命性的。英國利物浦大學(xué)的塔拉·希爾斯 (Tara Shears) 說，行為上的相似性或?qū)ΨQ性暗示著更深層次的結(jié)構(gòu)，這是我們今天在研究中非常流行的觀點。
數(shù)學(xué)怪獸
起初，沒有人確定夸克是真正的粒子還是只是一個有用的組織想法。在 1972 年的一次演講中，蓋爾曼警告他的聽眾不要調(diào)用我們模型中的虛擬對象，這些對象最終會變成吞噬我們的真正的怪物。
有兩條證據(jù)表明夸克不僅僅是數(shù)學(xué)中的怪物。首先，物理學(xué)家向質(zhì)子發(fā)射電子，注意到一些電子在廣角反彈。這表明電子擊中了質(zhì)子內(nèi)部的某樣?xùn)|西 - 類似夸克。更重要的是，蓋爾曼的模型表明夸克的某些組合仍未被發(fā)現(xiàn)。就像德米特里·門捷列夫 (Dmitri Mendeleev) 原始元素周期表中的間隙一樣，這賦予了模型預(yù)測力。當(dāng)丟失的粒子像預(yù)期的那樣出現(xiàn)時，夸克模型的接受幾乎得到了保證。
這是一個值得慶祝的時刻，但很多事情還不清楚。其中一個主要的謎團是，為什么某些夸克組合會發(fā)展，而另一些則不會。例如，你可以將夸克與其反粒子配對形成介子，或者將三個夸克粘合在一起形成重子，例如質(zhì)子或中子。但是你不能很容易地產(chǎn)生一個由四五個夸克組成的復(fù)合粒子，也不能單獨得到一個夸克。這是為什么呢？
答案在于夸克的一種被稱為色荷的顯著性質(zhì)，它與我們在日常生活中想到的顏色無關(guān)。比利時布魯塞爾自由大學(xué)的弗里亞·布萊克曼（Freya Blekman）說：顏色是我們剛剛選擇給它命名的東西，因為它是以三種形式出現(xiàn)的。這些不同顏色的夸克 - 稱為紅、綠和藍 - 可以坐在一起，因為它們的色荷相互抵消，類似于不同顏色的光混合在一起形成白色的方式。按照相同的邏輯，假設(shè)夸克和反夸克具有紅色和反紅色的電荷，它們可以放在一起。這也解釋了為什么單夸克在探測器中不會從原子中脫落：沒有它們的顏色伙伴，它們就太不穩(wěn)定了。
到了 20 世紀(jì) 70 年代末，我們終于有了對夸克以及將它們結(jié)合在一起的力量的最完整的描述：量子色動力學(xué)(QCD)，它是以夸克所具有的色荷命名的。
量子色動力學(xué)并不完美。首先，使用它來計算最復(fù)雜的物理可能會非常耗時。芝加哥附近費米國家加速器實驗室的露絲·范德沃特（Ruth Van de Water）說：計算從開始到結(jié)束可能需要三年時間。這就是為什么，她說，許多夸克集合的屬性還沒有用全量子色動力學(xué)來計算。相反，它們是使用不太復(fù)雜的模型完成的，這些模型并不能解釋夸克可能具有的每一種相互作用。哈佛大學(xué)的物理學(xué)家霍華德·格奧爾基（Howard Georgi）說：我們對量子色動力學(xué)的了解有點像試圖通過感覺某一小部分來了解大象的樣子。這種方法可以毫不費力地描述軀干，但在耳朵上卻顯得非常糟糕。
這不是一個新問題。早在 20 世紀(jì) 70 年代，物理學(xué)家杰拉德·霍夫特（Gerard‘t Hooft）就在尋找一種使量子色動力學(xué)更易于處理的方法。他在準(zhǔn)確性方面做出了大膽的妥協(xié)，基本上丟棄了量子色動力學(xué)方程中描述顏色的部分。范德沃特說，這大大簡化了，讓你可以進行更簡單的計算。
當(dāng)霍夫特嘗試時，他發(fā)現(xiàn)它以驚人的精確度復(fù)制了介子的屬性。格奧爾基說：這非常令人興奮。
但是蓋爾曼的怪物就要咬人了。把顏色這個詞放在一邊，夸克就不需要有三種顏色了。取而代之的是，它們可以有你喜歡的任意數(shù)量的顏色，甚至是無限數(shù)量的。而且因為夸克的集合只有在所有顏色都被平等表示的情況下才能達到穩(wěn)定，無限數(shù)量的顏色意味著具有無限數(shù)量夸克的重子。
無限多的顏色意味著無限多的夸克。這是有后果的。
這是有后果的。每個夸克都有一種叫做自旋的量子性質(zhì)。乘以夸克的數(shù)量，粗略地說，你乘上了最大自旋的量。在極端情況下，當(dāng)所有夸克的自旋都對齊時，產(chǎn)生的重子自旋如此之多，以至于霍夫特的模型都難以描述它。這不僅適用于霍夫特想象的無限彩色世界中的粒子，而且也適用于現(xiàn)實世界中的一些粒子，例如不同尋常的 δ ++ 重子，它由三個具有對齊自旋的上夸克組成。
這個問題的解決方案來自一個不太可能的地方：弦理論，一個統(tǒng)一非常大的相對論物理和非常小的量子物理的框架。在 21 世紀(jì)初，弦理論家開始注意到他們的方程允許夸克做一些奇怪的事情。在某些情況下，它們可以承擔(dān)一小部分通常的旋轉(zhuǎn)。這是實驗中從未見過的東西，也從未被量子色動力學(xué)預(yù)測過。它看起來像另一個數(shù)學(xué)怪物。然后幾年前，人們開始看到量子色動力學(xué)也可以描述具有分?jǐn)?shù)自旋的夸克。
現(xiàn)在，夸克的故事可能會發(fā)生更大的變化。去年，以色列魏茨曼科學(xué)研究所 (Weizmann Institute Of Science) 的佐哈爾·科馬戈德斯基 (Zohar Komardogski) 發(fā)現(xiàn)了一種將所有完全不同的夸克想法整合在一起的可能方法：使用霍夫特的無限顏色模型，但給予夸克自由進行分?jǐn)?shù)自旋。物理學(xué)家承認，他的工作顯示出獨創(chuàng)性和技巧 - 但它也是極其復(fù)雜的。格奧爾基說：我希望自己能更好地理解它。
每個人都認同的是它開辟了新的領(lǐng)域。而霍夫特的模型不能解釋奇異的高自旋粒子，科馬戈德斯基的模型恰好做到了這一點。格奧爾基說：它描繪的畫面是完全不同的。它不是一個三維的夸克簇，它是為了爭奪位置，高自旋將重子拉到量子泡沫的二維薄餅中，其中出現(xiàn)具有分?jǐn)?shù)自旋的夸克。
現(xiàn)實基礎(chǔ)搖搖欲墜
這非常像墨西哥人浪在體育場中出現(xiàn)的方式，或者從電子集合中出現(xiàn)準(zhǔn)粒子的方式。換句話說，這意味著這些粒子中的夸克根本不是基本的，而是量子泡沫行為的結(jié)果。科馬戈德斯基說：這就像一種新的物質(zhì)狀態(tài)，或者一種新的夸克狀態(tài)。我們一直都知道夸克是非常奇怪的野獸，在日常生活中幾乎無法解釋。
它們也可能非常有用。當(dāng)霍夫特在 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展他的簡化方法時，沒有人擔(dān)心它無法計算出像 δ ++ 這樣的高自旋重子的性質(zhì)。這是因為它們往往只存在于奇異的環(huán)境中，比如中子星的超高壓內(nèi)部。但今天，中子星處于物理學(xué)中最熱門的領(lǐng)域之一：引力波天文學(xué)的中心。
在過去的幾年中，LIGO 合作探測到了空間中巨大物體碰撞時產(chǎn)生的引力波，包括黑洞吞噬中子星的例子。這些信號給我們提供了一扇新的宇宙之窗，但玻璃有點結(jié)霜。我們不能從中子星的質(zhì)量以外的信號中推斷出很多關(guān)于中子星的信息，主要是因為我們沒有理論來描述它們是由強烈的壓力物質(zhì)組成的。
或者至少我們直到現(xiàn)在才知道。科馬戈德斯基的提議非常令人興奮，因為它與這些恒星相關(guān)。法國巴黎理論物理研究所的曼克·羅 (Mannque Rho) 說。他正試圖將科馬戈德斯基的工作發(fā)展成一種工具，可以與引力波信號一起使用，以產(chǎn)生一個方程，描述更多關(guān)于中子星的信息，包括它們的直徑和密度。
實際應(yīng)用只是故事的一部分。科馬戈德斯基的工作也提出了關(guān)于夸克性質(zhì)的深刻問題。如果在某些情況下夸克似乎是突然出現(xiàn)的，而不是基本的，這是否意味著所有的夸克都只不過是抽象的？如果是這樣，那么現(xiàn)實到底是由什么構(gòu)成的呢？
也許令人驚訝的是，科馬戈德斯基本人仍然認為夸克是真實的，基本的物體。他將這種情況比作電子的奇怪行為：雖然有些情況下它們具有奇怪的性質(zhì)，但這并不意味著我們需要完全束縛電子的概念。他說：但每個人都有自己的觀點。
曼克·羅對此有不同的看法。他說：夸克的基本性質(zhì)在像稠密物質(zhì)這樣高度相關(guān)的系統(tǒng)中基本上失去了意義。我認為，夸克不再是基本的。也許這不應(yīng)該讓人感到驚訝。大多數(shù)物理學(xué)家認為粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型不能捕捉到關(guān)于現(xiàn)實的全部真相，特別是因為我們不知道為什么它是這樣的。夸克可能代表著現(xiàn)實階梯上的另一級，但我們還沒有到達底部。我們可能又回到了起點。
怪異的夸克
粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測了六種夸克的存在，或者說六種味：上夸克，上夸克，粲夸克，奇夸克，頂夸克和底夸克。我們知道夸克可以改變味，但現(xiàn)在看來它們也有能力進行更徹底的轉(zhuǎn)變。
意大利拉奎拉格蘭薩索科學(xué)研究所 (Gran Sasso Science Institute) 的貝尼代塔·貝爾法托 (Benedetta Belfatto) 和她的同事分析了關(guān)于味變化的實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)一些夸克似乎正在消失。芝加哥附近費米國家加速器實驗室的露絲·范德沃特說，一種可能性是一些夸克正在變成另一個我們從未見過的夸克，可能比我們所知的六個夸克中的任何一個都重。
夸克核
暗物質(zhì)是物理學(xué)中最令人費解的謎團之一。它約占宇宙的 27%，是一種無形的物質(zhì)，只有通過它所施加的引力才能感覺到。但它是用什么做的呢？
夸克核，也被稱為奇異物質(zhì)，是由上夸克、下夸克和奇夸克組成的假設(shè)粒子，它們具有成為暗物質(zhì)的適當(dāng)性質(zhì)。它們需要巨大的壓力才能形成，但加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué) (University Of British Columbia) 的阿里爾·日特尼茨基 (Ariel Zitnitsky) 認為，他知道有什么可以做到這一點：一個假想的新領(lǐng)域，它將跨越整個宇宙，制造出壓力足夠大的氣泡，從而產(chǎn)生雙倍于暗物質(zhì)的夸克核。
更具爭議性的是，日特尼茨基認為夸克核可能正在與太陽內(nèi)部的反粒子碰撞，釋放出驚人的能量，并解釋了為什么太陽的外層大氣如此炎熱。
五夸克和六夸克
在熟悉的粒子中，如質(zhì)子和中子，夸克以三種顏色的集合出現(xiàn)。
理論上，五夸克的集合是有辦法形成的，但沒有人確定它們是否存在，直到 2015 年，瑞士日內(nèi)瓦附近的大型強子對撞機 (Large Hadron Collider) 的一個團隊在探測器中捕捉到了其中一個夸克。
六夸克或七夸克會存在嗎？首先，是的，絕對的存在。氘原子的核 - 氫的同位素 - 是六夸克。如果你能把五個夸克和兩個反夸克擠進同一個物體，顏色限制的規(guī)則也會允許你有一個七夸克。
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