质子究竟是由什么组成的？夸克也许不是唯一

文/袁玉刚 图/来自互联网

原子是由质子、中子和电子组成的。质子究竟是由什么组成的？质子还能再分吗？

在《庄子》内篇的《天下篇》中，庄子说：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”

30年代，物理学家实验发现质子磁矩为5.6个单位核磁子，中子磁矩是-3.82个单位核磁子。说明质子和中子都是旋转的可分割的粒子。

1955年1月15日，毛泽东在书记处扩大会议上对钱三强说：“以哲学的观点来说，物质是无限可分的。质子、中子、电子也应该是可分的。一分为二，对立统一嘛!”

1955年，日本物理学家坂田昌一提出强相互作用粒子的复合模型，即坂田模型。

1964年，美国物理学家盖尔曼等人提出了基本粒子结构的“夸克模型”；

1965年，我国粒子物理学家们提出了基本粒子的洋葱状“层子模型”。

20世纪70年代末，在美国夏威夷举行的第七届粒子物理专题国际会议上，诺贝尔物理奖获得者、美国著名粒子物理学家格拉肖建议：当层子之类的粒子一旦被发现并得到证实，应该把它命名为“毛粒子”。

1968年，科学家通过电子-质子深度非弹性实验观测到了氢原子核内的三个电子广角散射中心，即存在3个小的点状物体。

科学家们把这3个点状物叫夸克。科学家们由此提出一个夸克模型，有36种夸克和8种胶子。质子由两个上夸克u、一个下夸克d和胶子组成，中子由一个上夸克u、两个下夸克d和胶子组成。

图1 夸克

电子-质子深度非弹性散射实验表明了质子内的部分子具有“渐进自由”的性质。即部分子之间越接近，强作用力越弱。当部分子之间非常接近时，强作用力非常弱，部分子完全可以成为自由粒子。反之，部分子之间距离越大，强作用力就越强。

夸克理论对称、和谐、优美，非常好看、好用。但不管科学家用什么方法，至今都没有发现自由存在的夸克。

为了解释这个难题，科学家们又提出了个“夸克禁闭”理论。依据夸克之间的间隔越大，彼此作用力就越大；间隔越小，彼此作用力越小的特点。夸克不能单独存在，只能组成复合粒子。

庄子和毛泽东的物质可分的观点是哲学观点。是正确的。但科学家们手里的工具是实实在在的。总有一天，工具的尺寸会大于要分割的物质的尺寸，无法分割了，无法日取其半。科学家们用高速电子撞击质子固定靶，打碎质子、中子，但得到的碎片与质子一样大，看不到自由夸克。怎么办？

科学家就是科学家。他们想到了新的办法，用粒子对撞打碎质子。

1961年，两台电子对撞机投入运行。1974年，在美国布鲁克海文国家实验室和美国斯坦福直线加速器中心的正负电子对撞机SPEAR上，丁肇中教授和B.里希特同时发现J/ψ粒子。它是由粲夸克组成的。

1977年，美国费米实验室发现底夸克。

1995年，美国费米实验室在CDF中发现顶夸克（进行10的12次方次质子对撞，1.6×10的7次方次有用，在12个候选者中有6个事例证明是顶夸克）。

好像夸克的一切问题都解决了。然而，夸克依然神龙见首不见尾。想想格尔曼的父亲老格尔曼在1972年的第16届高能物理国际会议上说的话，真有意思：“理论上，夸克在实验室中不需要真正可测量。此时，像磁单极子一样，它们可以存在于想象中。”

难怪夸克一直找不到。在大海里捞针，即使捞出几根针，能够说明大海是由针组成的吗？撞碎质子产生的新粒子一定就是组成质子的基本粒子吗？质子相撞产生了超子，能说质子由超子组成吗？

还是回头来再看看质子里那三个点状物吧。也许一开始就出现偏差了。

2007年，美国科学家发现，中子在中心和外部边缘各有一个负电荷，而中间是一个正电荷。这可以解释为3个夸克，一个是上夸克，两个是下夸克；也可以解释为一个是质子，一个是电子，另一个是同一个电子出现在另一个地方。这种结构就是具有两极的旋涡结构，中间是黑洞，外围是物质。所以，中子衰变为质子、电子、中微子和伽马线。

中子与氕的不同主要在于中子里的电子时而在中心，时而在核内边缘，可以轻易从两极逃逸；而氕的电子只能在核外，很难逃逸。

图2 中子的衰变

质子没有了电子，但旋涡的结构依然存在，旋涡力依然存在。这就是电荷。电荷是撕碎原子后原子旋涡力的体现，可以旋聚电子。电荷只能是整数，没有分数。实验已经证明，不论多大能量的强子对撞机，撞出来的粒子依然是带有整数电荷的旋转的粒子。所以，永远撞不出带有分数电荷的夸克。也许，这就是夸克禁闭的原因吧。杨振宁一直反对中国建设强子对撞机。我也反对，主要是我认为夸克理论太玄虚了。老格尔曼都说“夸克在实验室中不需要真正可测量……它们可以存在于想象中。”既然如此，为什么还要兴师动众，劳民伤财呢？

既然夸克的自旋是1/2，那么它的电荷就不会是分数。尽管为了自圆其说，硬算出个分数，但不能算是物理，只能是数学。数学可以帮助我们理解、发展物理，但不能独尊数学，更不能舍本逐末。

我的质子模型是个旋涡：中间是黑洞，外围是物质的吸积盘；这个旋涡带正电荷，具有两极。吸积盘上的物质可以分层，像中国物理学家们提出的洋葱状的层子模型。如果你还是理解不了，就看看中国的汉字“〇”。用毛笔书写时，笔尖发叉，就成了多层。

图3 黑洞

科学家们说：强作用力是一种短程力，当距离小于0.8fm时，强作用力为强排斥力；当距离大于0.8fm时，强作用力为较强的吸引力；当距离为1.5fm时，强作用力为较弱的吸引力。质子是强作用力形成的。0.8fm内显示出强排斥力，把物质排斥到外围，没有了物质，所以是黑洞；0.8fm外显示出较强的吸引力，所以形成了物质吸积盘。你要拉开、拉断吸积盘，越向外越困难。要向里推吸积盘，吸积盘可能有一部分可以向外移动。这就是质子“渐近自由”的起因。

氢原子核内的三个小的点状物体是什么呢？可能是物质吸积盘及其两个物质旋臂。中子的电子就位于其中一个旋臂上。

图4 双旋臂旋涡具有三部分

我的质子旋涡模型比夸克简单得多，也符合实验结果。用电子与质子撞击，不是被吸住就是被撞飞，或者撞碎。碎片会是介子或超子。用质子与质子撞击，碎片会是介子或超子。这些介子和超子，哪个带分数电荷？没有一个！这些介子和超子也不是组成质子的次粒子。那些犹抱琵琶半遮面的夸克，为什么就一定是质子的一部分呢？

质子是相当稳定的基本粒子。稍纵即逝的粒子未必是基本粒子。那些看起来花里胡哨、说起来头头是道、上穷碧落下黄泉两处茫茫皆不见的夸克更不是什么基本粒子。