原子内部到底发生了什么？

没人真正知道原子内部发生了什么事，但两组相互竞争的科学家认为他们已经弄清楚了。两组科学家都在争相证明他们的观点是正确的。

我们可以确定的是：电子在原子外壳的 "轨道 "上旋转，有一大堆空的空间。然后，就在这个空间的中心，有一个小小的原子核——一个由质子和中子组成的密集结点，给原子提供了大部分的质量。这些质子和中子聚集在一起，被所谓的强力所束缚。 而这些质子和中子的数量决定了原子是铁、氧还是氙，以及它是放射性还是稳定性。

不过，没有人知道这些质子和中子（合称核子）在原子内部的行为。在原子外部，质子和中子有确定的大小和形状。它们每一个都是由三个被称为夸克的更小的粒子组成的，这些夸克之间的相互作用是如此强烈，以至于任何外力都不应该能够使它们变形，即使是原子核中粒子之间的强大力量也不行。但几十年来，研究人员都知道这个理论在某种程度上是错误的。实验表明，在原子核内部，质子和中子看起来比它们应该大得多。物理学家已经发展出两种相互竞争的理论，试图解释这种奇怪的不匹配，而每一种理论的支持者都非常肯定对方是不正确的。然而，两个阵营都同意，无论正确的答案是什么，都必须来自于他们自己以外的领域。

华盛顿大学的核物理学家杰拉尔德-米勒（Gerald Miller）告诉《现场科学》，至少从20世纪40年代开始，物理学家们就知道核子在核内紧密的小轨道上运动。核子在运动中被限制住了，它们的能量非常小。它们不会有太大的弹跳，受制于强大的力量。

1983年，欧洲核子研究组织（CERN）的物理学家注意到了一些奇怪的事情。米勒说，电子束从铁上反弹的方式 与它们从自由质子上反弹的方式截然不同。这一点出乎意料；如果氢里面的质子和铁里面的质子大小一样，电子应该以同样的方式反弹。

起初，研究人员不知道他们在观察什么。

但随着时间的推移，科学家们开始相信这是一个大小问题。出于某种原因，重核内的质子和中子表现得好像比在核外时大得多。研究人员将这一现象称为EMC效应，以欧洲穆子合作组织意外发现这一现象的小组的名字命名。 它违反了现有的核物理学理论。

麻省理工学院的核物理学家亨有一个理论，有可能解释发生了什么。

他认为，虽然构成核子的亚原子粒子夸克在特定的质子或中子内部强烈地相互作用，但不同质子和中子中的夸克彼此之间不能有太多的相互作用。核子内部的强力非常强大，它使核子与其他核子之间的强力黯然失色。

"想象一下，坐在你的房间里和你的两个朋友关着窗户聊天，"亨说。

房间里的三人是中子或质子里面的三个夸克。

"外面吹来一阵轻风，"他说。

那股轻风就是将质子或中子与附近 "窗外 "的核子联系起来的力量。亨说，即使有一点从关着的窗户里偷偷溜走，也几乎不会影响到你。

而只要核子呆在自己的轨道上，情况就是这样。然而最近的实验表明，在任何时候，核子中约有20%的核子其实是在其轨道之外。相反，它们与其他核子成对，在 "短程相关 "中相互作用。他说，在这种情况下，核子之间的相互作用比平时的能量高得多。这是因为夸克戳穿了单个核子的壁，开始直接相互作用，而这些夸克-夸克相互作用比核子-核子相互作用要强大得多。

亨说，这些相互作用打破了单个质子或中子内部分隔夸克的墙壁。构成一个质子的夸克和构成另一个质子的夸克开始占据同一空间。亨说，这导致质子（或中子，视情况而定）拉伸和模糊。它们增长了很多，尽管时间很短。这歪曲了核内整个群落的平均大小，即产生.EMC效应。

亨说，现在大多数物理学家都接受EMC效应的这种解释。而与亨合作进行一些关键研究的米勒也表示同意。

但并不是每个人都认为亨的小组把问题解决了。伊利诺伊州阿贡国家实验室的核物理学家Ian Clo?t认为亨的工作得出的结论，数据并不能完全支持。

"我认为EMC效应仍未解决，"Clo?t告诉《现场科学》，这是因为核物理学的基本模型已经解释了亨所描述的许多短程配对。然而，"如果你用这个模型来尝试研究EMC效应，你将无法描述EMC效应。用那个框架是无法成功解释EMC效应的。所以在我看来，还是一个谜。"

亨和他的合作者正在做的实验工作是 "英勇的 "和 "非常好的科学"，他说。但它并没有完全解决原子核的问题。

"很明显的是，传统的核物理模型无法解释这种EMC效应，"他说。"我们现在认为，解释一定来自于QCD本身。"

QCD是量子色动力学的缩写——管理夸克行为的规则体系。从核物理转向QCD，有点像同一张图片看两次：一次在第一代翻盖手机上看——核物理，另一次在高分辨率电视上看——量子色动力学。高分辨率电视提供了更多的细节，但它的构建要复杂得多。

Clo?t和Hen都认为，问题是描述一个原子核中所有夸克的完整QCD方程太难解决了。据Clo?t估计，现代超级计算机距离足够快的任务还有100年左右的时间。他说，即使今天超级计算机的速度足够快，这些方程也没有发展到可以将它们插入计算机的地步。

他说，还是可以用QCD来回答一些问题。而现在，他说，这些答案为EMC效应提供了不同的解释。核平均场理论。

他不同意核子中20%的核子被束缚在短程相关中的说法。他说，实验就是不能证明这一点。而且这个想法在理论上也有问题。

他说，这表明我们需要一个不同的模型。

"我所掌握的情况是，我们知道在一个原子核内部有这些非常强大的核力"，Clo?t说。 "有点像电磁场，只不过它们是强力场"。

这些场在如此微小的距离上运行，以至于它们在核外的量级可以忽略不计，但它们在核内却很强大。

在Clo?t的模型中，这些力场，他称之为 "平均场"（因为它们所携带的综合强度），实际上会使质子、中子和离子（一种携带强力的粒子）的内部结构变形。

"就像如果你把一个原子放在一个强磁场里面，你会改变这个原子的内部结构，"Clo?t说。

换句话说，平均磁场理论家认为亨所描述的密封房间的墙壁上有洞，风吹过将夸克吹得四处乱窜，将它们拉伸。

Clo?t承认，有可能短程相关性很可能解释了EMC效应的一部分，而亨说，平均场很可能也起到了作用。

"问题是，哪个占主导地位，"Clo?t说。

与Clo?t合作也很广泛的Miller说，平均场的优势在于理论基础更扎实。但他说，Clo?t还没有进行所有必要的计算。

而现在，实验证据的重要性表明，亨有更好的论点。

亨和Clo?t都表示，未来几年的实验结果可以解决这个问题。亨引用了弗吉尼亚州杰斐逊国家加速器设施正在进行的一项实验，该实验将把核子一点一点地靠近，并让研究人员观察它们的变化。Clo?t说，他希望看到一个 "极化EMC实验"，它将根据参与实验的质子的自旋（一种量子特征）来分解效应。他说，这可能会揭示出该效应中看不见的细节，从而有助于计算。

三位研究人员都强调，这场辩论是友好的。

"这很好，因为这意味着我们仍然在取得进展，"米勒说。"最终，有些东西会在教科书中，球赛结束了。... 事实上，有两个竞争的想法意味着它是令人兴奋和充满活力的。而现在，我们终于有了解决这些问题的实验工具。"

FY：Charon

作者：Rafi Letzter

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