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                  尋找《三體》中的“水滴”殺手
                  2017-02-04 |文章来源: 曹俊 郭万磊| 浏览次数:  |

                    《三體》

                    在劉慈欣的科幻小說《三體》中,三體人其實從未與人類謀面。幾百年內,三體人賴以威懾、奴役地球人的,是兩顆質子大小的“智子”,和一個三點五米長的“水滴”探測器。

                    智子是間諜,除傳話外,還負責擾亂高能加速器,鎖死人類的基礎科學研究。“水滴”則充當殺手,它依靠簡單的撞擊,在30分鍾內殲滅了人類的太空武裝力量——二千艘恒星級戰艦及百萬太空軍。 

                    “水滴不像眼淚那樣脆弱,相反,它的強度比太陽系中最堅固的物質還要高百倍,這個世界中的所有物質在它面前都像紙片般脆弱,它可以像子彈穿透奶酪那樣穿過地球,表面不受絲毫損傷”。在書中,它是用“強相互作用力材料”制造的。

                    自然界共有四種力:強力、電磁力、弱力、引力。到了微觀層面,“力”的概念不再像日常生活中碰到的力那樣,而是表現爲粒子跟粒子之間的“相互作用”,因此又稱爲強相互作用、電磁相互作用等等。這個世界中的所有物質,其實都是電磁力維系的,而強力的強度是電磁力的一百倍。靠強力來維系的材料,自然比現在最堅固的物質還要堅固高百倍。

                    那麽,這種“強相互作用力材料”真的存在嗎?

                    四種力的典型強度和作用距離

                    如果把原子比做構建物質世界的磚塊,我們的世界就是由100多種不同的“磚塊”搭建而成。2016年“國際純粹與應用化學聯合會”將新合成的第113、115、117、118號化學元素分別以日本、莫斯科、田納西和俄羅斯物理學家歐甘尼辛命名。

                    原子其實是塊“空心磚”。它由更小的磚塊——原子核和核外電子構成。原子核的直徑僅爲原子的幾萬分之一,絕大部分空間都是空的。原子核又由更小的質子和中子組成。最重的118號元素的原子核就包含了118個質子和176個中子。從強力的角度看,質子和中子幾乎是一樣的,因此統稱“核子”。如果壓縮掉電子與核子核之間的虛空,比如由恒星內核塌縮而形成的中子星,密度就高得驚人。將地球上的所有海水壓縮成這種物質,其大小剛夠填滿北京的“水立方”遊泳館,而渤海的海水則剛好可以裝進觀音的淨瓶。

                    核子也不是最小的磚塊,它由更小的“誇克”組成。誇克共有6種,再加上電子、缪子、陶子,以及對應的三種中微子,這12種粒子(還有它們的反粒子)才是物質世界最小的“磚塊”。

                    

                    構成物質世界的最小磚塊由6種誇克和6種輕子組成,它們的質量由希格斯粒子(H)産生,之間的相互作用由玻色子(γ,g,Z,W)傳遞

                    只有誇克才參與強相互作用。強力的作用範圍很短,只發生在原子核內部。把多個核子束縛成原子核的核力,也不是真正的強力,而是強力的剩余作用,就像分子之間的範德瓦爾力是電磁力的剩余作用一樣。我們已知的所有材料都由原子組成,而原子的尺度遠遠超過強力的作用範圍。原子核和核外電子通過電磁力維系,因此材料強度都由電磁力決定。

                    要形成“強相互作用力材料”,首先誇克之間要靠得足夠近,進入強力的力程範圍,不能被電子分割成遙遠的“小島”。中子星倒是滿足這個條件。不過,中子星的物質形態仍然是一個個的中子,並不是“強相互作用力材料”。如果不是極大的引力擠壓,它馬上會煙消雲散。

                    除了質子和中子,強相互作用還能形成哪些東西?由強相互作用形成的粒子,稱爲“強子”,包括兩類,一類由三個誇克(或者三個反誇克)組成,稱爲“重子”,例如質子和中子;另一類由一對正反誇克組成,稱爲“介子”。重子中,只有質子和呆在核內的中子是穩定的,其它都不能穩定存在,在加速器或者宇宙線的撞擊中偶然産生後,轉瞬即逝。而所有介子都不能穩定存在。

                    那麽問題來了,爲什麽只有這兩類呢?爲什麽不能有兩個誇克組成的粒子,或者一百個、一萬個誇克組成材料呢?老實說,我們迄今也沒搞清楚。

                    我們有一個很好的描述強力的理論,稱爲“量子色動力學”,它基于量子場論,是關于紅、綠、藍三種“色”量子數的“動力學”理論。原則上,它可以精確預言誇克能組成什麽樣的粒子,精確預言“強相互作用力材料”是否存在,性質如何。在能量很高的時候,它確實能夠做出准確預言,並得到了大量實驗證實。但不幸的是,將誇克束縛成粒子的過程相對而言能量較低,量子色動力學很難求解。同時,我們迄今也不理解爲什麽帶“色”的粒子不能單獨存在——組成一個粒子的誇克,其“色”必須中和,稱爲“色禁閉”。正是因爲存在這些不解之謎,我們現在還不能准確預言強力能形成哪些粒子和物質,需要更多的實驗數據、發展新的計算方法。

                    尽管不能精确求解量子色动力学,人们还是可以通过一些近似来建立模型。有些模型就预言了重子和介子以外的粒子。几十年来,对这样的新粒子的寻找就在真真假假的实验信号中磕磕绊绊地进行。2004年的国际高能物理大会上,据传为“五夸克态”的Theta粒子被否定,总结发言的英国理论物理学家Frank Close将二十多位歌颂“五夸克态”的理论家嘲笑了一通。然而,2013年北京正负电子对撞机上发现了一个既不属于重子,也不属于介子的新粒子Zc(3900),很可能是一个四夸克态,被美国物理学会杂志《物理》评为当年十一项重大成果之首。2015年,清华大学利用欧洲大型强子对撞机发现了一个新粒子,被认为是五夸克态。还有一种可能存在的新粒子,由传递强力的胶子组成,称为“胶子球”,仍然没有找到。

                    這些新粒子告訴我們,強力也可以將超過三個的誇克束縛在一起。如果像大量原子排列形成晶體那樣,大量誇克由強力直接束縛成材料,那就是我們尋找的“強相互作用力材料”。正如前文所說的,量子色動力學很難求解,只能依靠模型來預言是否存在新粒子或者“強相互作用力材料”,而模型往往不那麽可靠,又需要實驗來驗證或者調節參數。

                    傳統的強相互作用粒子只有重子和介子,最近發現了可能爲四誇克態和五誇克態的粒子,對膠子球和奇異誇克物質的尋找仍在繼續。

                    上世紀70年代初,有科學家認爲,當物質密度足夠高時,組成核子的“上誇克”和“下誇克”可以部分轉換成另一種誇克——“奇異誇克”,形成“奇異誇克物質”,由數量大致相同的上誇克、下誇克、奇異誇克以及少量的電子組成,可能是能量更低、因而更穩定的狀態。就像鐵元素可以是一個原子、可以組成一塊鐵板、也可以構成一顆恒星的星核一樣,奇異誇克物質可能跟核子差不多重,稱爲“奇異子”;也可能由上千上萬個誇克排列組成,稱爲“奇異核素”(nuclearite);甚至可以比太陽還重,稱爲“奇異誇克星”。

                    1984年,著名理论物理学家爱德·华威腾进一步证明,在很大的参数空间内奇异夸克物质绝对稳定,也就是说,理论上它很可能是存在的。这就是著名的Witten-Bodmer猜想,相关论文(PRD30,272)被引用了1900多次。Farhi和Jaffe也得到了相似结论,并给出奇异夸克物质的密度约为每立方厘米4亿吨。同年,诺贝尔奖获得者格拉肖与合作者提出奇异夸克物质可能是一种新的宇宙辐射形式(Nature, 312: 734)。

                    假如奇異誇克物質確實存在,也只有極其劇烈的過程才可能産生,比如宇宙大爆炸、超新星爆發、中子星的碰撞、或者超高能宇宙線與地球的相互作用。科學家還嘗試將重離子加速到極高能量,通過碰撞人工産生奇異子。

                    奇異誇克物質遠遠重于普通原子核,因此有很多獨特的性質,可以用來尋找它的蹤迹。國際空間站上的阿爾法磁譜儀利用磁場作用下的運動軌迹尋找過單個的奇異子。奇異星可能由超新星爆發直接産生,也可能由中子星通過相變産生。有研究認爲,奇異子可以存在,中子星最終都會轉變爲奇異星。但是目前的研究還不能證明奇異星的存在。

                    奇異核素擁有比奇異子更強的穿透能力,質量重于0.1克的奇異核素能夠輕松地穿透地球。在穿過岩石等普通物質時,奇異核素會與其徑迹上的原子發生彈性碰撞,形成高溫等離子體激波,溫度可達1萬度以上。這樣奇異核素就會在普通物質中留下燒蝕徑迹並發出光。如果奇異核素穿過的物質是地球大氣或是透明的水,這些光就會被我們的肉眼或是實驗儀器觀測到。奇異核素穿過地球大氣時會産生許多人期望的流星現象,而且這顆“流星”的速度要比普通流星更快。質量超過20克的奇異核素在夜空中會産生超過最亮的天狼星的亮度。

                    位于地中海的ANTARES中微子實驗尋找奇異核素穿過深海時産生的光,不過他們找到的疑似事例大部分都是由海洋發光生物造成的。基于燒蝕徑迹這一特點,意大利格蘭薩索國家實驗室的MACRO實驗和玻利維亞5千米高原上的SLIM實驗也在尋找奇異核素。MACRO經過10多年的尋找並沒有發現奇異核素。由于可觀測到的奇異核素數量與探測時間成正比,于是科學家們找來了5億年的雲母礦石,仍然沒有發現燒蝕徑迹。當質量爲1噸的奇異核素(其半徑僅爲0.01毫米)穿過地球時會誘發地震並釋放相當于5萬噸TNT當量的核武器爆炸時産生的能量。美國在實施阿波羅計劃時在月球上放置的5個地震觀測站也被用來尋找奇異核素。也有人提出1908年通古斯大爆炸可能是由更重的奇異核素導致的。

                    

                    不同實驗對奇異核素的搜尋上限,以及江門中微子實驗預期的靈敏度

                    正在建設中的江門中微子實驗將來也可以利用2萬噸液體閃爍體來尋找奇異核素。

                    也許奇異誇克物質根本就不存在。不過從現有的理論模型看,它是可以有的。萬一真的存在呢?


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