《三體》

　　在劉慈欣的科幻小說(shuō)《三體》中，三體人其實(shí)從未與人類謀面。幾百年內(nèi)，三體人賴以威懾、奴役地球人的，是兩顆質(zhì)子大小的“智子”，和一個(gè)三點(diǎn)五米長(zhǎng)的“水滴”探測(cè)器。

　　智子是間諜，除傳話外，還負(fù)責(zé)擾亂高能加速器，鎖死人類的基礎(chǔ)科學(xué)研究?！八巍眲t充當(dāng)殺手，它依靠簡(jiǎn)單的撞擊，在30分鐘內(nèi)殲滅了人類的太空武裝力量——二千艘恒星級(jí)戰(zhàn)艦及百萬(wàn)太空軍?！?/p>

　　“水滴不像眼淚那樣脆弱，相反，它的強(qiáng)度比太陽(yáng)系中最堅(jiān)固的物質(zhì)還要高百倍，這個(gè)世界中的所有物質(zhì)在它面前都像紙片般脆弱，它可以像子彈穿透奶酪那樣穿過(guò)地球，表面不受絲毫損傷”。在書(shū)中，它是用“強(qiáng)相互作用力材料”制造的。

　　自然界共有四種力：強(qiáng)力、電磁力、弱力、引力。到了微觀層面，“力”的概念不再像日常生活中碰到的力那樣，而是表現(xiàn)為粒子跟粒子之間的“相互作用”，因此又稱為強(qiáng)相互作用、電磁相互作用等等。這個(gè)世界中的所有物質(zhì)，其實(shí)都是電磁力維系的，而強(qiáng)力的強(qiáng)度是電磁力的一百倍?？繌?qiáng)力來(lái)維系的材料，自然比現(xiàn)在最堅(jiān)固的物質(zhì)還要堅(jiān)固高百倍。

　　那么，這種“強(qiáng)相互作用力材料”真的存在嗎？

　　四種力的典型強(qiáng)度和作用距離

　　如果把原子比做構(gòu)建物質(zhì)世界的磚塊，我們的世界就是由100多種不同的“磚塊”搭建而成。2016年“國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)”將新合成的第113、115、117、118號(hào)化學(xué)元素分別以日本、莫斯科、田納西和俄羅斯物理學(xué)家歐甘尼辛命名。

　　原子其實(shí)是塊“空心磚”。它由更小的磚塊——原子核和核外電子構(gòu)成。原子核的直徑僅為原子的幾萬(wàn)分之一，絕大部分空間都是空的。原子核又由更小的質(zhì)子和中子組成。最重的118號(hào)元素的原子核就包含了118個(gè)質(zhì)子和176個(gè)中子。從強(qiáng)力的角度看，質(zhì)子和中子幾乎是一樣的，因此統(tǒng)稱“核子”。如果壓縮掉電子與核子核之間的虛空，比如由恒星內(nèi)核塌縮而形成的中子星，密度就高得驚人。將地球上的所有海水壓縮成這種物質(zhì)，其大小剛夠填滿北京的“水立方”游泳館，而渤海的海水則剛好可以裝進(jìn)觀音的凈瓶。

　　核子也不是最小的磚塊，它由更小的“夸克”組成?？淇斯灿?種，再加上電子、繆子、陶子，以及對(duì)應(yīng)的三種中微子，這12種粒子（還有它們的反粒子）才是物質(zhì)世界最小的“磚塊”。

　　構(gòu)成物質(zhì)世界的最小磚塊由6種夸克和6種輕子組成，它們的質(zhì)量由希格斯粒子（H）產(chǎn)生，之間的相互作用由玻色子（γ,g,Z,W）傳遞

　　只有夸克才參與強(qiáng)相互作用。強(qiáng)力的作用范圍很短，只發(fā)生在原子核內(nèi)部。把多個(gè)核子束縛成原子核的核力，也不是真正的強(qiáng)力，而是強(qiáng)力的剩余作用，就像分子之間的范德瓦爾力是電磁力的剩余作用一樣。我們已知的所有材料都由原子組成，而原子的尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)強(qiáng)力的作用范圍。原子核和核外電子通過(guò)電磁力維系，因此材料強(qiáng)度都由電磁力決定。

　　要形成“強(qiáng)相互作用力材料”，首先夸克之間要靠得足夠近，進(jìn)入強(qiáng)力的力程范圍，不能被電子分割成遙遠(yuǎn)的“小島”。中子星倒是滿足這個(gè)條件。不過(guò)，中子星的物質(zhì)形態(tài)仍然是一個(gè)個(gè)的中子，并不是“強(qiáng)相互作用力材料”。如果不是極大的引力擠壓，它馬上會(huì)煙消云散。

　　除了質(zhì)子和中子，強(qiáng)相互作用還能形成哪些東西？由強(qiáng)相互作用形成的粒子，稱為“強(qiáng)子”，包括兩類，一類由三個(gè)夸克（或者三個(gè)反夸克）組成，稱為“重子”，例如質(zhì)子和中子；另一類由一對(duì)正反夸克組成，稱為“介子”。重子中，只有質(zhì)子和呆在核內(nèi)的中子是穩(wěn)定的，其它都不能穩(wěn)定存在，在加速器或者宇宙線的撞擊中偶然產(chǎn)生后，轉(zhuǎn)瞬即逝。而所有介子都不能穩(wěn)定存在。

　　那么問(wèn)題來(lái)了，為什么只有這兩類呢？為什么不能有兩個(gè)夸克組成的粒子，或者一百個(gè)、一萬(wàn)個(gè)夸克組成材料呢？老實(shí)說(shuō)，我們迄今也沒(méi)搞清楚。

　　我們有一個(gè)很好的描述強(qiáng)力的理論，稱為“量子色動(dòng)力學(xué)”，它基于量子場(chǎng)論，是關(guān)于紅、綠、藍(lán)三種“色”量子數(shù)的“動(dòng)力學(xué)”理論。原則上，它可以精確預(yù)言夸克能組成什么樣的粒子，精確預(yù)言“強(qiáng)相互作用力材料”是否存在，性質(zhì)如何。在能量很高的時(shí)候，它確實(shí)能夠做出準(zhǔn)確預(yù)言，并得到了大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)。但不幸的是，將夸克束縛成粒子的過(guò)程相對(duì)而言能量較低，量子色動(dòng)力學(xué)很難求解。同時(shí)，我們迄今也不理解為什么帶“色”的粒子不能單獨(dú)存在——組成一個(gè)粒子的夸克，其“色”必須中和，稱為“色禁閉”。正是因?yàn)榇嬖谶@些不解之謎，我們現(xiàn)在還不能準(zhǔn)確預(yù)言強(qiáng)力能形成哪些粒子和物質(zhì)，需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、發(fā)展新的計(jì)算方法。

　　盡管不能精確求解量子色動(dòng)力學(xué)，人們還是可以通過(guò)一些近似來(lái)建立模型。有些模型就預(yù)言了重子和介子以外的粒子。幾十年來(lái)，對(duì)這樣的新粒子的尋找就在真真假假的實(shí)驗(yàn)信號(hào)中磕磕絆絆地進(jìn)行。2004年的國(guó)際高能物理大會(huì)上，據(jù)傳為“五夸克態(tài)”的Theta粒子被否定，總結(jié)發(fā)言的英國(guó)理論物理學(xué)家Frank Close將二十多位歌頌“五夸克態(tài)”的理論家嘲笑了一通。然而，2013年北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)既不屬于重子，也不屬于介子的新粒子Zc(3900)，很可能是一個(gè)四夸克態(tài)，被美國(guó)物理學(xué)會(huì)雜志《物理》評(píng)為當(dāng)年十一項(xiàng)重大成果之首。2015年，清華大學(xué)利用歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新粒子，被認(rèn)為是五夸克態(tài)。還有一種可能存在的新粒子，由傳遞強(qiáng)力的膠子組成，稱為“膠子球”，仍然沒(méi)有找到。

　　這些新粒子告訴我們，強(qiáng)力也可以將超過(guò)三個(gè)的夸克束縛在一起。如果像大量原子排列形成晶體那樣，大量夸克由強(qiáng)力直接束縛成材料，那就是我們尋找的“強(qiáng)相互作用力材料”。正如前文所說(shuō)的，量子色動(dòng)力學(xué)很難求解，只能依靠模型來(lái)預(yù)言是否存在新粒子或者“強(qiáng)相互作用力材料”，而模型往往不那么可靠，又需要實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證或者調(diào)節(jié)參數(shù)。

　　傳統(tǒng)的強(qiáng)相互作用粒子只有重子和介子，最近發(fā)現(xiàn)了可能為四夸克態(tài)和五夸克態(tài)的粒子，對(duì)膠子球和奇異夸克物質(zhì)的尋找仍在繼續(xù)。

　　上世紀(jì)70年代初，有科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)物質(zhì)密度足夠高時(shí)，組成核子的“上夸克”和“下夸克”可以部分轉(zhuǎn)換成另一種夸克——“奇異夸克”，形成“奇異夸克物質(zhì)”，由數(shù)量大致相同的上夸克、下夸克、奇異夸克以及少量的電子組成，可能是能量更低、因而更穩(wěn)定的狀態(tài)。就像鐵元素可以是一個(gè)原子、可以組成一塊鐵板、也可以構(gòu)成一顆恒星的星核一樣，奇異夸克物質(zhì)可能跟核子差不多重，稱為“奇異子”；也可能由上千上萬(wàn)個(gè)夸克排列組成，稱為“奇異核素”（nuclearite）；甚至可以比太陽(yáng)還重，稱為“奇異夸克星”。

　　1984年，著名理論物理學(xué)家愛(ài)德·華威騰進(jìn)一步證明，在很大的參數(shù)空間內(nèi)奇異夸克物質(zhì)絕對(duì)穩(wěn)定，也就是說(shuō)，理論上它很可能是存在的。這就是著名的Witten-Bodmer猜想，相關(guān)論文（PRD30,272）被引用了1900多次。Farhi和Jaffe也得到了相似結(jié)論，并給出奇異夸克物質(zhì)的密度約為每立方厘米4億噸。同年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者格拉肖與合作者提出奇異夸克物質(zhì)可能是一種新的宇宙輻射形式（Nature, 312: 734）。

　　假如奇異夸克物質(zhì)確實(shí)存在，也只有極其劇烈的過(guò)程才可能產(chǎn)生，比如宇宙大爆炸、超新星爆發(fā)、中子星的碰撞、或者超高能宇宙線與地球的相互作用?？茖W(xué)家還嘗試將重離子加速到極高能量，通過(guò)碰撞人工產(chǎn)生奇異子。

　　奇異夸克物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)重于普通原子核，因此有很多獨(dú)特的性質(zhì)，可以用來(lái)尋找它的蹤跡。國(guó)際空間站上的阿爾法磁譜儀利用磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡尋找過(guò)單個(gè)的奇異子。奇異星可能由超新星爆發(fā)直接產(chǎn)生，也可能由中子星通過(guò)相變產(chǎn)生。有研究認(rèn)為，奇異子可以存在，中子星最終都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠娈愋恰５悄壳暗难芯窟€不能證明奇異星的存在。

　　奇異核素?fù)碛斜绕娈愖痈鼜?qiáng)的穿透能力，質(zhì)量重于0.1克的奇異核素能夠輕松地穿透地球。在穿過(guò)巖石等普通物質(zhì)時(shí)，奇異核素會(huì)與其徑跡上的原子發(fā)生彈性碰撞，形成高溫等離子體激波，溫度可達(dá)1萬(wàn)度以上。這樣奇異核素就會(huì)在普通物質(zhì)中留下燒蝕徑跡并發(fā)出光。如果奇異核素穿過(guò)的物質(zhì)是地球大氣或是透明的水，這些光就會(huì)被我們的肉眼或是實(shí)驗(yàn)儀器觀測(cè)到。奇異核素穿過(guò)地球大氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多人期望的流星現(xiàn)象，而且這顆“流星”的速度要比普通流星更快。質(zhì)量超過(guò)20克的奇異核素在夜空中會(huì)產(chǎn)生超過(guò)最亮的天狼星的亮度。

　　位于地中海的ANTARES中微子實(shí)驗(yàn)尋找奇異核素穿過(guò)深海時(shí)產(chǎn)生的光，不過(guò)他們找到的疑似事例大部分都是由海洋發(fā)光生物造成的。基于燒蝕徑跡這一特點(diǎn)，意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的MACRO實(shí)驗(yàn)和玻利維亞5千米高原上的SLIM實(shí)驗(yàn)也在尋找奇異核素。MACRO經(jīng)過(guò)10多年的尋找并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)奇異核素。由于可觀測(cè)到的奇異核素?cái)?shù)量與探測(cè)時(shí)間成正比，于是科學(xué)家們找來(lái)了5億年的云母礦石，仍然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)燒蝕徑跡。當(dāng)質(zhì)量為1噸的奇異核素（其半徑僅為0.01毫米）穿過(guò)地球時(shí)會(huì)誘發(fā)地震并釋放相當(dāng)于5萬(wàn)噸TNT當(dāng)量的核武器爆炸時(shí)產(chǎn)生的能量。美國(guó)在實(shí)施阿波羅計(jì)劃時(shí)在月球上放置的5個(gè)地震觀測(cè)站也被用來(lái)尋找奇異核素。也有人提出1908年通古斯大爆炸可能是由更重的奇異核素導(dǎo)致的。

　　不同實(shí)驗(yàn)對(duì)奇異核素的搜尋上限，以及江門中微子實(shí)驗(yàn)預(yù)期的靈敏度

　　正在建設(shè)中的江門中微子實(shí)驗(yàn)將來(lái)也可以利用2萬(wàn)噸液體閃爍體來(lái)尋找奇異核素。

　　也許奇異夸克物質(zhì)根本就不存在。不過(guò)從現(xiàn)有的理論模型看，它是可以有的。萬(wàn)一真的存在呢？