原子內(nèi)部到底發(fā)生了什么,？

沒人真正知道原子內(nèi)部發(fā)生了什么事，但兩組相互競爭的科學家認為他們已經(jīng)弄清楚了,。兩組科學家都在爭相證明他們的觀點是正確的,。

我們可以確定的是：電子在原子外殼的 "軌道 "上旋轉(zhuǎn)，有一大堆空的空間,。然后,，就在這個空間的中心，有一個小小的原子核——一個由質(zhì)子和中子組成的密集結(jié)點,，給原子提供了大部分的質(zhì)量,。這些質(zhì)子和中子聚集在一起，被所謂的強力所束縛,。 而這些質(zhì)子和中子的數(shù)量決定了原子是鐵,、氧還是氙，以及它是放射性還是穩(wěn)定性,。

不過,，沒有人知道這些質(zhì)子和中子（合稱核子）在原子內(nèi)部的行為。在原子外部,，質(zhì)子和中子有確定的大小和形狀,。它們每一個都是由三個被稱為夸克的更小的粒子組成的，這些夸克之間的相互作用是如此強烈,，以至于任何外力都不應該能夠使它們變形,，即使是原子核中粒子之間的強大力量也不行。但幾十年來,，研究人員都知道這個理論在某種程度上是錯誤的,。實驗表明，在原子核內(nèi)部,，質(zhì)子和中子看起來比它們應該大得多,。物理學家已經(jīng)發(fā)展出兩種相互競爭的理論，試圖解釋這種奇怪的不匹配,，而每一種理論的支持者都非?？隙▽Ψ绞遣徽_的。然而，兩個陣營都同意,，無論正確的答案是什么,，都必須來自于他們自己以外的領(lǐng)域。

華盛頓大學的核物理學家杰拉爾德-米勒（Gerald Miller）告訴《現(xiàn)場科學》,，至少從20世紀40年代開始,，物理學家們就知道核子在核內(nèi)緊密的小軌道上運動。核子在運動中被限制住了,，它們的能量非常小,。它們不會有太大的彈跳，受制于強大的力量,。

1983年,，歐洲核子研究組織（CERN）的物理學家注意到了一些奇怪的事情。米勒說,，電子束從鐵上反彈的方式 與它們從自由質(zhì)子上反彈的方式截然不同,。這一點出乎意料；如果氫里面的質(zhì)子和鐵里面的質(zhì)子大小一樣,，電子應該以同樣的方式反彈,。

起初，研究人員不知道他們在觀察什么,。

但隨著時間的推移,，科學家們開始相信這是一個大小問題。出于某種原因,，重核內(nèi)的質(zhì)子和中子表現(xiàn)得好像比在核外時大得多,。研究人員將這一現(xiàn)象稱為EMC效應，以歐洲穆子合作組織意外發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的小組的名字命名,。 它違反了現(xiàn)有的核物理學理論,。

麻省理工學院的核物理學家亨有一個理論，有可能解釋發(fā)生了什么,。

他認為,，雖然構(gòu)成核子的亞原子粒子夸克在特定的質(zhì)子或中子內(nèi)部強烈地相互作用，但不同質(zhì)子和中子中的夸克彼此之間不能有太多的相互作用,。核子內(nèi)部的強力非常強大,，它使核子與其他核子之間的強力黯然失色。

"想象一下,，坐在你的房間里和你的兩個朋友關(guān)著窗戶聊天,，"亨說。

房間里的三人是中子或質(zhì)子里面的三個夸克,。

"外面吹來一陣輕風,，"他說。

那股輕風就是將質(zhì)子或中子與附近 "窗外 "的核子聯(lián)系起來的力量。亨說,，即使有一點從關(guān)著的窗戶里偷偷溜走，也幾乎不會影響到你,。

而只要核子呆在自己的軌道上,，情況就是這樣。然而最近的實驗表明,，在任何時候,，核子中約有20%的核子其實是在其軌道之外。相反,，它們與其他核子成對,，在 "短程相關(guān) "中相互作用。他說,，在這種情況下,，核子之間的相互作用比平時的能量高得多。這是因為夸克戳穿了單個核子的壁,，開始直接相互作用,，而這些夸克-夸克相互作用比核子-核子相互作用要強大得多。 

亨說,，這些相互作用打破了單個質(zhì)子或中子內(nèi)部分隔夸克的墻壁,。構(gòu)成一個質(zhì)子的夸克和構(gòu)成另一個質(zhì)子的夸克開始占據(jù)同一空間。亨說,，這導致質(zhì)子（或中子,，視情況而定）拉伸和模糊。它們增長了很多,，盡管時間很短,。這歪曲了核內(nèi)整個群落的平均大小，即產(chǎn)生.EMC效應,。

亨說,，現(xiàn)在大多數(shù)物理學家都接受EMC效應的這種解釋。而與亨合作進行一些關(guān)鍵研究的米勒也表示同意,。

但并不是每個人都認為亨的小組把問題解決了,。伊利諾伊州阿貢國家實驗室的核物理學家Ian Clo?t認為亨的工作得出的結(jié)論，數(shù)據(jù)并不能完全支持,。

"我認為EMC效應仍未解決,，"Clo?t告訴《現(xiàn)場科學》，這是因為核物理學的基本模型已經(jīng)解釋了亨所描述的許多短程配對,。然而,，"如果你用這個模型來嘗試研究EMC效應，你將無法描述EMC效應。用那個框架是無法成功解釋EMC效應的,。所以在我看來,，還是一個謎。"

亨和他的合作者正在做的實驗工作是 "英勇的 "和 "非常好的科學",，他說,。但它并沒有完全解決原子核的問題。

"很明顯的是,，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,，解釋一定來自于QCD本身,。"

QCD是量子色動力學的縮寫——管理夸克行為的規(guī)則體系。從核物理轉(zhuǎn)向QCD,，有點像同一張圖片看兩次：一次在第一代翻蓋手機上看——核物理,，另一次在高分辨率電視上看——量子色動力學。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,。

Clo?t和Hen都認為，問題是描述一個原子核中所有夸克的完整QCD方程太難解決了,。據(jù)Clo?t估計,，現(xiàn)代超級計算機距離足夠快的任務(wù)還有100年左右的時間。他說,，即使今天超級計算機的速度足夠快,，這些方程也沒有發(fā)展到可以將它們插入計算機的地步。

他說,，還是可以用QCD來回答一些問題,。而現(xiàn)在，他說,，這些答案為EMC效應提供了不同的解釋,。核平均場理論。

他不同意核子中20%的核子被束縛在短程相關(guān)中的說法,。他說,，實驗就是不能證明這一點。而且這個想法在理論上也有問題,。

他說,，這表明我們需要一個不同的模型。

"我所掌握的情況是,，我們知道在一個原子核內(nèi)部有這些非常強大的核力",，Clo?t說,。"有點像電磁場，只不過它們是強力場",。

這些場在如此微小的距離上運行,，以至于它們在核外的量級可以忽略不計，但它們在核內(nèi)卻很強大,。

在Clo?t的模型中,，這些力場，他稱之為 "平均場"（因為它們所攜帶的綜合強度）,，實際上會使質(zhì)子、中子和離子（一種攜帶強力的粒子）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形,。

"就像如果你把一個原子放在一個強磁場里面,，你會改變這個原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，"Clo?t說,。

換句話說,，平均磁場理論家認為亨所描述的密封房間的墻壁上有洞，風吹過將夸克吹得四處亂竄,，將它們拉伸,。

Clo?t承認，有可能短程相關(guān)性很可能解釋了EMC效應的一部分,，而亨說,，平均場很可能也起到了作用。

"問題是,，哪個占主導地位,，"Clo?t說。

與Clo?t合作也很廣泛的Miller說,，平均場的優(yōu)勢在于理論基礎(chǔ)更扎實,。但他說，Clo?t還沒有進行所有必要的計算,。

而現(xiàn)在,，實驗證據(jù)的重要性表明，亨有更好的論點,。

亨和Clo?t都表示,，未來幾年的實驗結(jié)果可以解決這個問題。亨引用了弗吉尼亞州杰斐遜國家加速器設(shè)施正在進行的一項實驗,，該實驗將把核子一點一點地靠近,，并讓研究人員觀察它們的變化。Clo?t說,，他希望看到一個 "極化EMC實驗",，它將根據(jù)參與實驗的質(zhì)子的自旋（一種量子特征）來分解效應,。他說，這可能會揭示出該效應中看不見的細節(jié),，從而有助于計算,。

三位研究人員都強調(diào)，這場辯論是友好的,。

"這很好,，因為這意味著我們?nèi)匀辉谌〉眠M展，"米勒說,。"最終,，有些東西會在教科書中，球賽結(jié)束了,。... 事實上,，有兩個競爭的想法意味著它是令人興奮和充滿活力的。而現(xiàn)在,，我們終于有了解決這些問題的實驗工具,。"

FY：Charon