科技訊 北京時間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)有兩個研究團隊提出了這個問題的答案?，F(xiàn)在，這兩個相互競爭的團隊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；就在這個空間的中心，有一個很小的原子核，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，被所謂的強核力（又稱強相互作用）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。每一個核子都由三種更小的粒子——夸克——構(gòu)成。夸克之間的相互作用是如此強烈，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核力也不能。但幾十年來的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這個理論在某種程度上是錯誤的。實驗表明，在原子核內(nèi)，質(zhì)子和中子看起來遠遠超過它們應有的大小。物理學家發(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肯定另一種理論是錯的。不過，兩個陣營都認為，無論正確答案是什么，都必須來自他們自己的領域之外。
華盛頓大學的核物理學家杰拉爾德·米勒（Gerald Miller）表示，至少從20世紀40年代開始，物理學家就知道核子在原子核內(nèi)的運動軌道很小也很緊湊。核子的運動受到約束，幾乎沒有能量。由于受到強核力的限制，它們不太會四處彈跳。
1983年，歐洲核子研究中心（CERN）的物理學家注意到一個奇怪的現(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，那電子應該會以同樣的方式反彈。
起初，研究人員并不知道他們觀察到的是什么。但隨著時間的推移，科學家開始認為，這是一個大小的問題。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候大得多。研究人員將這一現(xiàn)象稱為EMC效應，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。該效應也可以延伸為，夸克在原子核的質(zhì)子或中子內(nèi)部的動量分布與在自由核子內(nèi)部時明顯不同，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)，其運動速度便會大幅下降。在物理學家看來，EMC效應違反了現(xiàn)有的核物理理論。
奧爾·赫恩（Or Hen）是麻省理工學院的核物理學家，他提出了一個觀點，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，會與給定的質(zhì)子或中子發(fā)生強烈的相互作用，而不同質(zhì)子和中子的夸克之間并沒有很強的相互作用。核子內(nèi)部夸克之間的強相互作用是如此之大，使核子與其他核子結(jié)合的強核力相形見絀。
“想象你坐在房間里，和兩個朋友聊天，窗戶是關著的，”赫恩說道，“一股微風在窗外吹拂。”房間里的三個人可以看作質(zhì)子或中子內(nèi)部的3個夸克，而窗外的微風就是質(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著的窗戶，也幾乎不會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，最近的實驗表明，在任何給定的時間，原子核中大約20%的核子實際上在軌道之外。它們會與其他核子配對，以“短程關聯(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。這是因為夸克已經(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-核子相互作用強大得多。
赫恩表示，這些相互作用打破了夸克在單個質(zhì)子或中子內(nèi)部的隔離墻。組成一個質(zhì)子的夸克和組成另一個質(zhì)子的夸克開始占據(jù)同一個空間。這會導致質(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。
現(xiàn)在，大多數(shù)物理學家都接受這種對EMC效應的解釋。在一些關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。但并不是每個人都認為赫恩的團隊解決了EMC效應問題。伊利諾斯州阿貢國家實驗室的核物理學家伊恩·克羅伊特（Ian Cloet）表示，他認為赫恩的研究結(jié)論并沒有得到數(shù)據(jù)的完全支持。
克羅伊特認為EMC效應問題仍然沒有解決。這是因為，核物理學的基本模型已經(jīng)包含了赫恩描述的許多短程配對。克羅伊特說：“如果你用這個模型來研究EMC效應，你將無法描述EMC效應。目前還沒有人使用該框架成功解釋了EMC效應。所以在我看來，這仍然是個謎?！?/p>
克羅伊特表示，赫恩及其合作者所做的實驗工作是“勇敢的”，也是“非常好的科學”，但并沒有完全解決原子核的問題?！昂苊黠@，傳統(tǒng)的核物理模型……無法解釋這種EMC效應，”他說，“我們現(xiàn)在認為，這種解釋肯定來自QCD本身。”
QCD即量子色動力學（quantum chromodynamics），即控制夸克行為的規(guī)則體系。從核物理學轉(zhuǎn)換到量子色動力學，有點像用不同的方式觀看同一幅圖像。核物理學就像用第一代翻蓋手機觀看，而量子色動力學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節(jié)，但它的構(gòu)建要復雜得多。
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，現(xiàn)代超級計算機要大約100年后才能達到解決這一難題的運算速度。即使今天的超級計算機速度足夠快，這些方程也還沒有發(fā)展到可以代入計算機的程度。
不過，克羅伊特認為，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%的核子參與短程關聯(lián)的觀點。他指出，實驗無法證明這一點，而且這個觀點也存在一些理論問題。于是，他提出了一個新的模型。“我所了解的情況是，原子核內(nèi)部有非常強大的核力，”他說，“這有點像電磁場，只不過它們是強力場?！?/p>
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，但在原子核內(nèi)卻非常強大。在克羅伊特的模型中，這些被他稱為“平均場”的力場實際上會使質(zhì)子、中子和介子（一種攜帶強核力的粒子）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。
“就像你把一個原子放在強磁場中，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會發(fā)生改變，”克羅伊特說道。換句話說，平均場理論物理學家認為，赫恩描述的密封房間其實并不嚴實，墻壁上的洞會讓風吹進來，把夸克吹得四處都是，使它們拉伸。
克羅伊特承認，短程關聯(lián)可能解釋了一部分EMC效應；而赫恩表示，平均場可能也起了作用。問題是，哪一個占主導地位？
米勒也與克羅伊特有過廣泛的合作，他表示，平均場的優(yōu)勢在于理論基礎更加扎實，但克羅伊特并沒有做所有必要的計算。目前，大量的實驗證據(jù)表明，赫恩在這場爭論中占了上風。
赫恩和克羅伊特都表示，未來幾年的實驗結(jié)果很可能會解決這個問題。赫恩提到了弗吉尼亞州杰弗遜國家加速器中心正在進行的一項實驗。研究人員將在該實驗中觀察核子一點一點相互靠近時的變化?？肆_伊特表示，他希望看到的是一個“極化EMC實驗”，該實驗將利用質(zhì)子自旋（一種量子特性）來打破這種效應。或許這個實驗能揭示EMC效應的未知細節(jié)，從而有助于下一步的計算。
這是一場友好的辯論?！斑@很棒，因為這意味著我們?nèi)栽谌〉眠M展，”米勒說，“最終，一些東西將會出現(xiàn)在教科書里，比賽也塵埃落定。事實上，有兩個競爭的理論意味著這個問題令人興奮，而且充滿活力。現(xiàn)在，我們終于有了解決這些問題的實驗工具。”
至于未來會發(fā)生什么，讓我們拭目以待吧。（任天）
