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如果吃一小勺夸克会怎么样?

夸克是组成物质最基本的粒子,它有上、下、奇、粲、底及顶六种类型。

夸克是组成物质最基本的粒子,它有上、下、奇、粲、底及顶六种类型,也可以称为六种味,我们知道夸克在目前的宇宙能量水平下是不可以自由存在的,也就是说目前的宇宙中没有单独的自由夸克,它们必须在强力的作用下结合在一起形成质子、中子或者介子。

这就是我们常说的夸克禁闭,如果你能将夸克分离出来,并挖上那么一勺子,那么这一勺子自由夸克其实就是早期宇宙的夸克-胶子粒子浓汤。其蕴含的能量是我们无法现象的,这个能量足以毁掉任何我们目前能看到的物质。别说吃一勺,估计在制备自由夸克的时候就已经发生了大爆炸类型的灾难。

那么为什么夸克不能自由存在?如果我们强行将夸克分离出来就发生什么?

这就要说到,将自由夸克结合在一起形成重子,以及将重子结合在一起形成原子核的力:强核力。强力是四大基本力中最强的力,也是最为特殊的一种力,它控制着标准模型中超过一半以上的粒子,并且为我们解释了核反应质量损失的问题,

那么强核力是如何将夸克牢牢地结合在一起的?

为了理解以上的问题,我们先从引力开始。引力的作用在生活中最为常见、也最为直观,因为我们无时无刻不在地球引力的控制下生活。在宇宙中所有的物质都会受到引力的作用或者对其他物质产生引力,因为所有的物质要么具有质量、要么具有能量这个基本属性或者两个都有,那么有质量/能量的物体就会弯曲它所在的时空,并会对其他物质产生吸引力。

我们可以将产生引力的最小质量源称为“引力电荷”且为正电荷,两个引力电荷之间只会产生吸引力,不会产生排斥力,且随着距离的增加引力会随着距离的平方反比下降,如果距离足够远,那么引力就会将为0。

接下来说下电磁力,电磁力和引力十分相似,电荷增加电磁力就会增加,电磁力也会随着距离的增大呈平方反比的方式下降,但不同的是电磁力有两种电荷:正电荷和负电荷。因此电磁力有吸引力和排斥力,但是只要距离足够远电磁力也会将为零。以上的两种力是生活中比较常见的,而且很符合我们的直觉。但是遇到强力就不同了。

在强力中,一个夸克可以带有电荷(强力跟电荷没有关系),但它带有三种色荷中的一种,例如红色,绿色或蓝色。这三种颜色在随机变换,色荷并不是一个夸克的固有属性,就像是质量和电荷这样的固有属性永远不会变,而夸克的色荷是随机变化的,这种随机的变化必须通过强力来实现。例如,一个带有+(2/3)e电荷的绿色夸克,这个电荷是它的固有属性,但这个绿色色荷并不是,色荷会在非常短暂的时间内发生转变,可能会变为红色或者蓝色,至于是哪种颜色取决于这个夸克在强力下经历了哪种相互作用。

由于单独的夸克不能同时携带三种色荷,它只能携带其中的一种,但这个变化又是随机的,所以它必须要与其他的夸克相互交换色荷,以满足自己的色荷在不断地发生转变。我们知道在一个中子里,有三个夸克,其中两个下夸克和一个上夸克,它们可以互相通过胶子来交换颜色,以满足自己随机色荷地变化。那么为什么有些复合粒子是三个夸克组成的(中子、质子),有些是两个夸克组成的(介子)?甚至还存在四夸克、甚至是五夸克的复合粒子呢?

夸克有三种颜色(红、绿、蓝)和反夸克有三种反色(反红=青色、反绿=红、反蓝=黄)

其实不管是有几种夸克组合成的复合粒子,只需要满足一个标准:多个夸克结合在一起必须表现出无色的状态,也就是中性状态。你看,中子里面的三个夸克不管它们怎么交换颜色,都会保持其中一个始终是绿色,一个始终是红色,一个始终是蓝色。上图中可以看到这三种颜色刚好就可以组成成白色,也就是中性的无色。还有每种夸克都有相对应的反夸克,那么色荷就存在自己的反色,一个颜色和它的反色在一起可以构成中性的无色。因此在现实世界中,夸克的组合形式就比较多了。

可以有三个夸克,三个反夸克,一个夸克-反夸克的组合,或者更多的,例如:四个夸克和一个反夸克;两个夸克,两个反夸克;六个反夸克等等!

因此夸克禁闭说的就是夸克所携带的色荷必须保持中性,要想保持中性,就必须在强力的作用下结合在一起。

那么如果我们将单个夸克强行从复合粒子中拉出来会发生什么?

强力跟引力、电磁力的区别是,强力只有在距离为零的时候,才会表现的很弱,如果距离增加,强力会呈指数级增加,就像拉一根弹簧一样,你不拉它,它对外就不施加任何力,你越使劲拉它,它往回缩的力越强。你过你可能回想,如果我们给其施加非常大的能量,总能够克服强力把夸克拉出来吧。确实可以,但是会发生更为奇怪的事情。

我们以一个π介子为例,它是由一个上夸克和一个反上夸克组成的,如果我们给这个系统开始注入能量,随着两个夸克距离的增加,强力会原来越大。这就需要我们注入更多的能量。等两个夸克分离时,我们会看到神奇的一幕。我们给系统注入的能量已经达到了足以在真空中产生正反粒子对,这两个正反粒子分别会被两个分离的夸克捕获又结合在一起。

所以,我们根本无法分离两个夸克,更谈何吃一勺夸克呢?不过在宇宙中确实存在过有自由夸克的时期,那就是在大爆炸的初期,在宇宙诞生后不到一秒的时间,这是的宇宙能量非常高,空间也会自反的产生粒子和反离子对,直到所有的夸克结合在一起形成无色,我们称这个时期为「夸克-胶子等离子浓汤!」

喝一口这样的汤,估计只有上帝可以做到吧!

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