在60年前，人們還認(rèn)為質(zhì)子和中子是物理學(xué)中的基本粒子，不可再分。
可是，在1964年的時(shí)候，蓋爾曼提出了夸克假說(shuō)，指出質(zhì)子和中子其實(shí)都是由夸克組成的，其中質(zhì)子由2個(gè)上夸克（每個(gè)帶2/3正電荷）和1個(gè)下夸克（帶1/3負(fù)電荷）組成，中子由1個(gè)上夸克和2個(gè)下夸克組成。除了上下夸克之外，還有奇夸克、粲夸克、頂夸克和底夸克四種夸克，可以組成其他重子。
雖然蓋爾曼的說(shuō)法逐漸被人們信服，但是科學(xué)家們始終無(wú)法檢測(cè)夸克的存在。不論他們?nèi)绾斡迷絹?lái)越強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行撞擊，都無(wú)法從質(zhì)子中轟出夸克來(lái)。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，科學(xué)家們提出了夸克禁閉的概念，指出隨著夸克之間是通過(guò)一種叫做“膠子”的粒子相互吸引的，并且隨著距離越遠(yuǎn)，膠子為夸克之間提供的作用力反而越強(qiáng)，因此越難被分離，導(dǎo)致我們無(wú)法單獨(dú)觀測(cè)夸克。
實(shí)際上，盡管有夸克禁閉存在，但科學(xué)家相信，在足夠苛刻的條件下，夸克和膠子也可以像原子核與電子一樣被分離。原子核與電子分離的狀態(tài)，也就是物質(zhì)在固液氣之上的第四種狀態(tài)——等離子態(tài)。而夸克和膠子的分離，也可以看作是夸克版的等離子態(tài)，科學(xué)家們甚至起了一個(gè)頗有味道的名字——夸克湯。
夸克湯絕對(duì)是宇宙中最難“烹飪的一碗湯”，它需要的條件極其苛刻，以至于在930億光年的宇宙里、138億年的歲月中，它都極少會(huì)出現(xiàn)。根據(jù)科學(xué)家的分析，在宇宙大爆炸后20微秒（0.00002秒）左右，我們才可以看到大量的夸克湯充斥著宇宙。在此之前，宇宙只有光子存在；在此之后極短暫的時(shí)間里，宇宙的溫度就下降到不足以再讓夸克和膠子分離，形成質(zhì)子和中子或者其他粒子了。
不過(guò)，科學(xué)家相信，當(dāng)今的宇宙中，我們?nèi)匀豢梢哉业娇淇藴?。這種神奇的狀態(tài)，就位于同樣神奇的天體內(nèi)部——中子星的核心。
我們知道，中子星是致密星的一種，介于白矮星和黑洞之間。當(dāng)一顆爆發(fā)的超新星內(nèi)核質(zhì)量超過(guò)1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量，那么將會(huì)突破錢(qián)德拉塞卡極限，導(dǎo)致電子被壓到質(zhì)子中，合并為中子，這個(gè)天體就會(huì)變成中子星。而中子是不帶電的，不存在質(zhì)子之間正電荷相斥的問(wèn)題，所以密度極大，僅僅1立方厘米的體積就有上億噸那么重！
雖然我們通常說(shuō)中子星是一顆由中子構(gòu)成的天體，但科學(xué)家在差不多40年前的時(shí)候就提出：一些較大的中子星可以在核心區(qū)域形成更加恐怖的壓力和溫度，導(dǎo)致中子也會(huì)被徹底壓碎，導(dǎo)致內(nèi)部的上夸克和下夸克分崩離析，轉(zhuǎn)化為奇夸克。甚至有人推測(cè)，在中子星和黑洞之間，可能還存在著一種過(guò)渡天體，那就是夸克星。
這些說(shuō)法至少在理論上都是成立的，當(dāng)初的中子星理論也是在類(lèi)似的過(guò)程中被預(yù)言，然后在30年后被發(fā)現(xiàn)并證實(shí)的。因此，科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)，一直致力于尋找中子星的夸克核。
赫爾辛基大學(xué)和赫爾辛基物理研究所的理論物理學(xué)家Aleksi Vuorinen指出：“自從大約40年前首次被提出開(kāi)始，中子星內(nèi)部夸克核的確認(rèn)一直是中子星物理學(xué)最重要的目標(biāo)之一?！?/p>
想要了解中子星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，不是一件容易的事。我們不可能靠近它進(jìn)行實(shí)地考察，即使靠近也不可能活著測(cè)量，即使僥幸活下來(lái)也不可能將它切開(kāi)。那么，到底有什么辦法，才可以讓我們看到它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？
幸運(yùn)的是，在2016年，我們終于找到了一種工具——引力波。在愛(ài)因斯坦預(yù)言它的幾乎整整100年后，人類(lèi)終于探測(cè)到了它，從此獲得了一個(gè)天文學(xué)研究的利器。通過(guò)引力波，我們可以對(duì)宇宙深處一些重大的天文現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)和分析。
機(jī)會(huì)說(shuō)來(lái)就來(lái)。僅僅一年后，2017年8月17日，LIGO和VIRGO檢測(cè)到了1.3億光年外的中子星合并事件。雖然這次引力波信號(hào)僅僅持續(xù)100秒（實(shí)際上在引力波里還是比較長(zhǎng)的），但科學(xué)家們獲得了大量的重要信息。在兩顆中子星逐漸靠近的過(guò)程中，它們都因?yàn)楸舜藦?qiáng)大的引力而發(fā)生形變。在這個(gè)千載難逢的瞬間，中子星隱藏在深處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)暴露在了宇宙空間，也暴露在人類(lèi)探測(cè)器的面前。利用這段期間的觀測(cè)，Vuorinen等人終于觀測(cè)到了中子星詭異的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
在結(jié)合了引力波的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及最新的理論量子物理學(xué)計(jì)算后，Vuorinen的團(tuán)隊(duì)最近在《自然物理學(xué)》雜志上發(fā)表了研究論文，向世人展示了他們的結(jié)論：從兩倍太陽(yáng)質(zhì)量到接近理論質(zhì)量上限（如果再高就會(huì)變成黑洞）的中子星，確實(shí)都存在一個(gè)夸克核，其范圍達(dá)到了整個(gè)中子星直徑的一半以上。
經(jīng)過(guò)40年的研究和觀測(cè)，夸克核終于接近證實(shí)。
之所以接近，是因?yàn)檫@個(gè)結(jié)論并沒(méi)有完全證實(shí)。從科學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)角度來(lái)說(shuō)，不能直接給出如此肯定的答案。研究團(tuán)隊(duì)也明確表示：夸克核只是可以最直接解釋觀測(cè)到的現(xiàn)象的一種可能性，并不排除其他可能。計(jì)算結(jié)果表面，如果這些中子星的核心并非是夸克核，那么這里一定是在發(fā)生某些我們還不知道的不可思議的事情。
Vuorinen指出：“所有的中子星都是僅由原子核物質(zhì)（即中子）組成的可能性仍然非常小，但并不是0。我們所能做的，就是量化這種情況下會(huì)發(fā)生什么。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，致密原子核物質(zhì)的表現(xiàn)勢(shì)必會(huì)極其詭異。比如說(shuō)，聲音的速度幾乎可以達(dá)到光速。”
對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，研究這種夸克核不僅可以了解中子星內(nèi)部，更可以幫助我們理解宇宙誕生的過(guò)程。我們剛才提到，宇宙大爆炸后僅僅幾十微秒的時(shí)間里，宇宙就處于夸克湯的狀態(tài)。因此，中子星內(nèi)部的夸克核可以很好地還原當(dāng)時(shí)宇宙的物理性質(zhì)，告訴我們最原始的宇宙是如何演化的。
雖然科學(xué)家們前些年也成功在實(shí)驗(yàn)室中造出了夸克湯，但是不僅難度過(guò)高，而且保持的時(shí)間非常有限，也給科學(xué)家的研究帶來(lái)了一定的限制。如果我們能持續(xù)對(duì)中子星的夸克核進(jìn)行研究，將會(huì)獲得大量重要的研究資料。
在2017年后，LIGO和Virgo已經(jīng)協(xié)作完成了第二次對(duì)中子星合并的觀測(cè)。隨著科學(xué)家對(duì)引力波的利用越來(lái)越游刃有余、人類(lèi)觀測(cè)設(shè)備捕捉到中子星合并的事件越來(lái)越多，我們將會(huì)更加了解夸克這種粒子以及夸克湯這種神奇的狀態(tài)。
正如Vuorinen所說(shuō)的那樣：“我們有理由相信，引力波天體物理學(xué)的黃金時(shí)代才剛剛開(kāi)始，不久的將來(lái)，我們將會(huì)見(jiàn)證更多這樣的突破，獲得對(duì)自然新的理解?！?/p>
聯(lián)系客服
