## 一个质子是一片海洋

我们来说个关于质子的新认识，让你体会一下大自然的奥秘。

你知道世间万物主要是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成的，原子核又是由质子和中子组成的。那电子、质子和中子又是由什么东西组成的呢？接下来就是现代物理学了。

在物理学家看来，电子是一个「基本粒子」，它没有内部结构，不是由别的东西组成的。你可以把电子想象成一个“点”，它有各种有意思的性质，但是它不可再分 [1]。

而质子和中子并不是基本粒子，它们是由夸克组成的。事实上，根据物理学家对世界的最新认识，整个世界的万事万物，是由17种基本粒子组成的。这个学说叫做「标准模型」。

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2023010918/1796649997119289224/010918.png)

标准模型把所有基本粒子分成三类——

第一类基本粒子构成了各种物质，包括夸克、电子和中微子；

第二类基本粒子负责传递各种物质之间的相互作用，包括光子、胶子等玻色子；

第三类基本粒子只有一个，那就是著名的“上帝粒子”——希格斯玻色子，它赋予其他基本粒子质量。

咱们重点说夸克。夸克有6种，叫做6个“味道”，分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。夸克带有电荷，是构成质子和中子的基石。

大学物理教科书上的知识，就是一个质子是由两个上夸克和一个下夸克组成的，一个中子是由两个下夸克和一个上夸克组成的。下面动图中表现了一个中子——

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2023010918/1796650051880175624/010918.gif)

你可以看到三个夸克不断地互相传递某种“小球”——那个小球就是「胶子」，负责传递强相互作用。基本粒子物理学认为除了引力之外，各种力都是由某种粒子传递的。比如你上中学学的那个“电磁力”，就是由光子负责传递的。交换某种粒子，就是在发生相互作用 [2]。把三个夸克绑在一起形成质子和中子的那个力，就是强相互作用。

一个质子就是三个夸克，这是一个简单的画面。然而最近这些年，特别是今年，人们对质子有了全新的认识。教科书上的描写过时了。

质子是一种深不可测的东西。

✵

物理学家怎么知道质子内部的结构是什么样的呢？做法是用一个电子去轰击它，把它撞碎，看看撞出来的东西都有什么。

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2023010918/1796650201130236316/010918.png)

这就是斯坦福直线加速器中心（SLAC）所做的事情。以前条件有限，对撞电子的能量不算高，撞的时候都撞到组成质子的三个夸克中的某一个上。你看看从质子中撞飞出来的碎片的运动轨迹，就知道它是哪种夸克。实验结果和夸克理论吻合地很好，这也是第一次证明了夸克的存在——这个发现还得了1990年的诺贝尔物理学奖。

事情似乎就这样了结了。一个质子是由两个上夸克一个下夸克总共三个夸克组成，它们均分了质子的动量，互相联系着、非常灵动地存在于质子之中，像下面这张动图所示——

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2023010918/1796650270923454344/010918.gif)

这就是当时物理学家心目中质子的标准形象。

但后来物理学家想，如果我们把电子的能量再加大一些力度，能不能撞出别的东西来呢？

✵

1992年，德国的强子-电子环形加速器（HERA），把电子撞向质子的力度提高到了前面斯坦福直线加速器的一千倍。它做了很多对撞实验，一直做到2007年。很多对撞结果跟斯坦福是一致的，但有些时候，电子会撞到一个动量很低的夸克身上。

质子中那三个夸克的动量都很高，这个动量很低的夸克是从哪来的呢？

物理学家想一想也理解了，那是一个“无中生有”的夸克。

前面我们说了，夸克之间是通过胶子传递相互作用的——这个理论叫「量子色动力学（QCD）」。量子色动力学认为，胶子在从一个夸克走向另一个夸克的过程中，有时候会*凭空*获得某种高能量。获得高能量之后，一个胶子就有可能变成一个夸克和这个夸克的反物质对：比如胶子变成了一个上夸克和一个反的上夸克。这一正一反两个夸克会马上因为互相接触而湮灭掉——因为正反物质相遇总是会发生湮灭——回归胶子。

那你说胶子怎么能凭空获得能量呢？难道能量不应该是守恒的吗？这就是一种量子力学效应了。量子力学里的能量具有不确定性，有时候就是可以突然变大一点或者变小一点 [3]。这也是「量子隧穿」和原子核衰变的原理，甚至有可能宇宙起源也是因为真空中的某处突然多了一点点能量 [4]。

所以胶子有时候会凭空变出来两个夸克。这两个夸克既然是凭空变出来的，动量自然都很低。而电子轰击质子的时候，有时候恰好就轰击到质子中凭空变出来、还没有来得及湮灭的某个夸克上。

这样我们的质子图像就得变一变了。以前是三个夸克，现在是三个夸克外加一系列由胶子凭空变出又立即湮灭的夸克——

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2023010918/1796650478155679752/010918.jpeg)

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2023010918/1796650535063943580/010918.png)

上面这两张图中只画了几对凭空变出的夸克，这个太不真实了。

德国HERA的实验表明，质子内部何止是偶尔出现几对凭空变出的夸克——那其实是一片夸克的海洋 [5]！质子中随时随地都在不断往外冒夸克，不断地产生和湮灭。只要入射电子能量足够高，你看到的是像下面这样像放烟花一样到处都在喷夸克的质子形象——

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2023010918/1796650670355412872/010918.gif)

电子能量再高一点，看到的是下面这样一片夸克之云……

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2023010918/1796650725116299272/010918.gif)

这个新图像确实是在以前物理学家的意料之外，但也算是情理之中。我们能猜到胶子会变成正反夸克对，但没想到如此普遍，更没想到凭空产生的夸克能在局部形成某种切实的存在，以至于被电子撞到。

那些由胶子凭空变出来的正反夸克们，被称之为海夸克。一般来说，既然胶子额外获得的能量有限，海夸克都是质量比较低的夸克，最常见的就是出现一对上夸克或者下夸克，这两种夸克的质量最低 [6]。偶尔可能会出现奇夸克，奇夸克的质量就比较重了，是质子总质量的10%，这个概率按理说应该很低。

质子内部有个波涛翻滚的夸克之海，但总体上应该是比较平静的……吧？

✵

然而就在2022年8月，出了个大新闻，说质子内部并不平静，其中有更大的夸克。

因为夸克海实在太复杂，没有办法直接解方程，有人干脆想了个主意说咱们用大数据分析、用机器学习行不行。物理学家走这一步可以说是不得已而为之的堕落，因为统计分析的误差比传统的理论和实验都高太多了。

但是有学说总比没学说好。这个大新闻就是荷兰的几个物理学家，把过去50年间拍摄的5000多张电子-质子碰撞的快照，使用机器学习方法进行一番分析，进一步推测了质子内部的夸克海是什么样的 [7]。

结果分析发现，夸克海里有时候甚至会出现一对粲夸克，也就是质量第四重的夸克。

这问题可就大了。粲夸克的质量比整个质子都要大，相当于整个质子质量的136%。这就相当于夸克海里有时候会冒出一对鲸鱼，每个鲸鱼的重量都超过了整个海洋的重量！

是，量子效应有时候允许你凭空获得一点能量，但是这个能量是不是也太多了？然而这就是机器学习发现的结果。

那么最新的质子图像又变成了下面这样——

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2023010918/1796650799204432284/010918.gif)

一个质子中有3个常驻的高动量夸克，包括两个上夸克和一个下夸克。这三个常驻夸克之间会不断通过胶子来传递相互作用。胶子走在路上常常会突然间变成一对正夸克和反夸克，那些凭空变出来的夸克就形成了一片夸克海。海夸克一般都是质量比较低的，但有时候也会冒出一对大鱼来，居然是两个质量比质子本身都大的粲夸克。

怎么理解这个图像？你可能会猜测，粲夸克的质量，是不是入射电子的高能量给带来的？这种可能性不能说没有，但是一方面理论不支持：电子跟胶子又不发生作用，它怎么把能量传递给胶子？另一方面实验中温和的碰撞也能看到粲夸克。还有一种可能就是机器学习根本不靠谱，还有待进一步实验验证。

表面上无比温顺的质子，哪知道他内心有这等深不可测的波澜。

✵

质子中可能有粲夸克，这对生活有什么意义呢？最直接的意义是它会影响你的观测结果 [5]。粲夸克被撞击可能会带来额外的中微子。如果宇宙射线打到大气中质子里的粲夸克上，带来这么一个高能的中微子的话，你要不知道质子里就有粲夸克，还以为那个高能中微子来自宇宙，殊不知它实际上来自本地。

这也给将来用大型强子对撞机（LHC）撞什么东西提了一个醒，你得考虑到这一点。

顺便说一句，这一讲所有的实验结果都是在斯坦福直线加速器和德国的强子-电子环形加速器上得到的。我还是那句话，LHC至今没有给我们提供任何一个*意外*发现。LHC花费了那么多钱、有那么多媒体报道，可是它的所有实验结果都是理论物理学家早就想到的。搞科研千万别学LHC。

倒是布鲁克海文国家实验室打算在2030年代启动一个更高级的电子和质子对撞机，那时候可能会有新发现。

✵

听到这里你可能会忍不住想，质子为什么这么复杂？如果让你来设计宇宙，质子作为这个宇宙中如此普遍的存在、作为构建万事万物最重要的一种砖头，有必要设计得那么复杂吗？其实你应该问的是为什么夸克如此复杂。

夸克是一种基本粒子，只是一个点而已。可是它却有这么多神奇的性质。

夸克有不同的味道，味道决定了它的类型、重量和电荷。它还有“颜色”——不是生活中的颜色，是参与量子色动力学时候的特征。夸克可以传递胶子，而胶子有时候会自己又变出两个夸克来。一种夸克通过衰变还能变成另一种夸克。

日常生活中可没有这样的砖头。为什么宇宙的砖头如此复杂？因为夸克要做的工作很多——

* 它要参加电磁相互作用，它要带电荷，这样我们才有了原子、才有了化学；

* 它要参加强相互作用，这样不同夸克才能组合在一起形成质子和中子，质子和中子才能形成原子核；

* 它还要参加弱相互作用，也就是一个夸克突然间变成另一个夸克，只有这样才会出现放射性衰变，才有可能发生核聚变，太阳才能发光发热；

* 它还必须得参与引力相互作用，这才有了万有引力……

而且夸克的各项设定数值必须配合得无比精巧，才能让组成的质子不会衰变。一个夸克可能会衰变变成另一个夸克，可是质子却永远都是质子！你不觉得这太巧了吗？要知道如果质子会衰变，那可就没有一个原子是稳定的，也就谈不上有这么一个相当稳定的世界供我们玩耍了……

你想想，作为宇宙中最基本的一种砖头，夸克竟然能干这么多事。物理学家并不完全理解夸克，我们知道夸克的一些行为和性质，我们可能永远都不会知道夸克本质上是个什么东西。

难道这样的宇宙不值得你探索吗？难道如此精妙的物理学不值得你赞叹吗？

![图片](https://piccdn.umiwi.com/uploader/image/ddarticle/2023010918/1796650834637911944/010918.jpeg)

注释

[1] 量子力学3：原子中的幽灵

[2] 量子力学23： 物理学的进化

[3] 量子力学7：概率把不可能变成可能

[4] 量子力学19：宇宙如何无中生有

[5] https://www.quantamagazine.org/inside-the-proton-the-most-complicated-thing-imaginable-20221019/

[6] https://bigthink.com/starts-with-a-bang/proton-contain-charm-quark/

[7] https://www.nature.com/articles/s41586-022-04998-2

### 💡 精华要点
- 1.质子内部其实是一片夸克的海洋。质子中随时随地都在不断往外冒夸克，不断地产生和湮灭。
- 2.质子内部并不平静，其中有更大的夸克，质量比整个质子都要大。这是物理学家使用机器学习分析的结果。
