北京時(shí)間2月25日消息，沒有人真正知道原子內(nèi)部發(fā)生著什么，不過，已經(jīng)有兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了這個(gè)問題的答案?，F(xiàn)在，這兩個(gè)相互競爭的團(tuán)隊(duì)都希望能證明自己的理論才是正確的。

我們目前可以確定的是，在原子內(nèi)部，電子沿著外層的“軌道”旋轉(zhuǎn)，然后是“一大片”空曠的空間;就在這個(gè)空間的中心，有一個(gè)很小的原子核，賦予了原子大部分的質(zhì)量。原子核是質(zhì)子和中子的緊密結(jié)合體，這些質(zhì)子和中子聚集在一起，被所謂的強(qiáng)核力(又稱強(qiáng)相互作用)束縛著。質(zhì)子和中子的數(shù)量決定了原子是鐵，是氧，還是氙，也決定了它是放射性的還是穩(wěn)定的。

然而，沒有人知道質(zhì)子和中子(合在一起稱為核子)在原子內(nèi)部的行為。在原子之外，質(zhì)子和中子有一定的大小和形狀。每一個(gè)核子都由三種更小的粒子——夸克——構(gòu)成?？淇酥g的相互作用是如此強(qiáng)烈，以至于任何外力都不能使它們變形，即使是原子核粒子之間的強(qiáng)核力也不能。但幾十年來的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)理論在某種程度上是錯(cuò)誤的。實(shí)驗(yàn)表明，在原子核內(nèi)，質(zhì)子和中子看起來遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它們應(yīng)有的大小。物理學(xué)家發(fā)展出了兩種相互競爭的理論，試圖解釋這種奇怪的不匹配，而且各自理論的支持者都相當(dāng)肯定另一種理論是錯(cuò)的。不過，兩個(gè)陣營都認(rèn)為，無論正確答案是什么，都必須來自他們自己的領(lǐng)域之外。

華盛頓大學(xué)的核物理學(xué)家杰拉爾德·米勒(Gerald Miller)表示，至少從20世紀(jì)40年代開始，物理學(xué)家就知道核子在原子核內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌道很小也很緊湊。核子的運(yùn)動(dòng)受到約束，幾乎沒有能量。由于受到強(qiáng)核力的限制，它們不太會(huì)四處彈跳。

1983年，歐洲核子研究中心(CERN)的物理學(xué)家注意到一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：電子束從鐵原子上反彈的方式與它們從自由質(zhì)子上反彈的方式非常不同。這很不尋常。如果氫原子里面的質(zhì)子與鐵原子里面的質(zhì)子一樣大，那電子應(yīng)該會(huì)以同樣的方式反彈。

起初，研究人員并不知道他們觀察到的是什么。但隨著時(shí)間的推移，科學(xué)家開始認(rèn)為，這是一個(gè)大小的問題。由于某種原因，重原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子看起來比它們在原子核外的時(shí)候大得多。研究人員將這一現(xiàn)象稱為EMC效應(yīng)，以偶然發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象的歐洲渺子合作組織(European Muon Collaboration，簡稱EMC)命名。該效應(yīng)也可以延伸為，夸克在原子核的質(zhì)子或中子內(nèi)部的動(dòng)量分布與在自由核子內(nèi)部時(shí)明顯不同，換句話說，構(gòu)成質(zhì)子和中子的夸克一旦被局限在原子核內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)速度便會(huì)大幅下降。在物理學(xué)家看來，EMC效應(yīng)違反了現(xiàn)有的核物理理論。

奧爾·赫恩(Or Hen)是麻省理工學(xué)院的核物理學(xué)家，他提出了一個(gè)觀點(diǎn)，可以解釋研究人員觀察到的事情?？淇耸菢?gòu)成核子的亞原子粒子，會(huì)與給定的質(zhì)子或中子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，而不同質(zhì)子和中子的夸克之間并沒有很強(qiáng)的相互作用。核子內(nèi)部夸克之間的強(qiáng)相互作用是如此之大，使核子與其他核子結(jié)合的強(qiáng)核力相形見絀。

“想象你坐在房間里，和兩個(gè)朋友聊天，窗戶是關(guān)著的，”赫恩說道，“一股微風(fēng)在窗外吹拂。”房間里的三個(gè)人可以看作質(zhì)子或中子內(nèi)部的3個(gè)夸克，而窗外的微風(fēng)就是質(zhì)子或中子與外部其他核子之間的相互作用。即使有少量氣流透過關(guān)著的窗戶，也幾乎不會(huì)影響到屋子里面的人。

換句話說，只要核子還在軌道上，核子之間的作用力就很難影響到核子內(nèi)部夸克之間的相互作用。然而，赫恩指出，最近的實(shí)驗(yàn)表明，在任何給定的時(shí)間，原子核中大約20%的核子實(shí)際上在軌道之外。它們會(huì)與其他核子配對(duì)，以“短程關(guān)聯(lián)”(short range correlations)發(fā)生相互作用。在這種情況下，核子之間的相互作用具有比通常情況高得多的能量。這是因?yàn)榭淇艘呀?jīng)突破其各自核子的壁壘，開始直接相互作用，而這種夸克-夸克相互作用比核子-核子相互作用強(qiáng)大得多。

赫恩表示，這些相互作用打破了夸克在單個(gè)質(zhì)子或中子內(nèi)部的隔離墻。組成一個(gè)質(zhì)子的夸克和組成另一個(gè)質(zhì)子的夸克開始占據(jù)同一個(gè)空間。這會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子(或中子，視情況而定)拉伸和模糊。它們成長得很快，盡管時(shí)間很短。這使原子核中所有核子的平均大小出現(xiàn)偏斜，從而產(chǎn)生EMC效應(yīng)。

現(xiàn)在，大多數(shù)物理學(xué)家都接受這種對(duì)EMC效應(yīng)的解釋。在一些關(guān)鍵研究中與赫恩有過合作的杰拉爾德·米勒也同意這一觀點(diǎn)。但并不是每個(gè)人都認(rèn)為赫恩的團(tuán)隊(duì)解決了EMC效應(yīng)問題。伊利諾斯州阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的核物理學(xué)家伊恩·克羅伊特(Ian Cloet)表示，他認(rèn)為赫恩的研究結(jié)論并沒有得到數(shù)據(jù)的完全支持。

克羅伊特認(rèn)為EMC效應(yīng)問題仍然沒有解決。這是因?yàn)椋宋锢韺W(xué)的基本模型已經(jīng)包含了赫恩描述的許多短程配對(duì)?？肆_伊特說：“如果你用這個(gè)模型來研究EMC效應(yīng)，你將無法描述EMC效應(yīng)。目前還沒有人使用該框架成功解釋了EMC效應(yīng)。所以在我看來，這仍然是個(gè)謎。”

克羅伊特表示，赫恩及其合作者所做的實(shí)驗(yàn)工作是“勇敢的”，也是“非常好的科學(xué)”，但并沒有完全解決原子核的問題。“很明顯，傳統(tǒng)的核物理模型……無法解釋這種EMC效應(yīng)，”他說，“我們現(xiàn)在認(rèn)為，這種解釋肯定來自QCD本身。”

QCD即量子色動(dòng)力學(xué)(quantum chromodynamics)，即控制夸克行為的規(guī)則體系。從核物理學(xué)轉(zhuǎn)換到量子色動(dòng)力學(xué)，有點(diǎn)像用不同的方式觀看同一幅圖像。核物理學(xué)就像用第一代翻蓋手機(jī)觀看，而量子色動(dòng)力學(xué)則是在高分辨率電視上看圖。高分辨率電視提供了更多的細(xì)節(jié)，但它的構(gòu)建要復(fù)雜得多。

克羅伊特和赫恩都表示，問題在于描述原子核中所有夸克的完整QCD方程太難解了?？肆_伊特估計(jì)，現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)要大約100年后才能達(dá)到解決這一難題的運(yùn)算速度。即使今天的超級(jí)計(jì)算機(jī)速度足夠快，這些方程也還沒有發(fā)展到可以代入計(jì)算機(jī)的程度。

不過，克羅伊特認(rèn)為，利用QCD來回答一些問題是可能的?，F(xiàn)在，這些答案為EMC效應(yīng)提供了新的解釋：核平均場理論(Nuclear Mean-Field Theory)。

克羅伊特并不同意原子核中有20%的核子參與短程關(guān)聯(lián)的觀點(diǎn)。他指出，實(shí)驗(yàn)無法證明這一點(diǎn)，而且這個(gè)觀點(diǎn)也存在一些理論問題。于是，他提出了一個(gè)新的模型。“我所了解的情況是，原子核內(nèi)部有非常強(qiáng)大的核力，”他說，“這有點(diǎn)像電磁場，只不過它們是強(qiáng)力場。”

這些場的作用距離非常小，在原子核外的作用可以忽略不計(jì)，但在原子核內(nèi)卻非常強(qiáng)大。在克羅伊特的模型中，這些被他稱為“平均場”的力場實(shí)際上會(huì)使質(zhì)子、中子和介子(一種攜帶強(qiáng)核力的粒子)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。

“就像你把一個(gè)原子放在強(qiáng)磁場中，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生改變，”克羅伊特說道。換句話說，平均場理論物理學(xué)家認(rèn)為，赫恩描述的密封房間其實(shí)并不嚴(yán)實(shí)，墻壁上的洞會(huì)讓風(fēng)吹進(jìn)來，把夸克吹得四處都是，使它們拉伸。

克羅伊特承認(rèn)，短程關(guān)聯(lián)可能解釋了一部分EMC效應(yīng);而赫恩表示，平均場可能也起了作用。問題是，哪一個(gè)占主導(dǎo)地位?

米勒也與克羅伊特有過廣泛的合作，他表示，平均場的優(yōu)勢在于理論基礎(chǔ)更加扎實(shí)，但克羅伊特并沒有做所有必要的計(jì)算。目前，大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，赫恩在這場爭論中占了上風(fēng)。

赫恩和克羅伊特都表示，未來幾年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很可能會(huì)解決這個(gè)問題。赫恩提到了弗吉尼亞州杰弗遜國家加速器中心正在進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。研究人員將在該實(shí)驗(yàn)中觀察核子一點(diǎn)一點(diǎn)相互靠近時(shí)的變化?？肆_伊特表示，他希望看到的是一個(gè)“極化EMC實(shí)驗(yàn)”，該實(shí)驗(yàn)將利用質(zhì)子自旋(一種量子特性)來打破這種效應(yīng)?；蛟S這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芙沂綞MC效應(yīng)的未知細(xì)節(jié)，從而有助于下一步的計(jì)算。

這是一場友好的辯論。“這很棒，因?yàn)檫@意味著我們?nèi)栽谌〉眠M(jìn)展，”米勒說，“最終，一些東西將會(huì)出現(xiàn)在教科書里，比賽也塵埃落定。事實(shí)上，有兩個(gè)競爭的理論意味著這個(gè)問題令人興奮，而且充滿活力?，F(xiàn)在，我們終于有了解決這些問題的實(shí)驗(yàn)工具。”

至于未來會(huì)發(fā)生什么，讓我們拭目以待吧。(任天)