《三體》

　　在劉慈欣的科幻小說《三體》中，三體人其實從未與人類謀面。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”，和一個三點五米長的“水滴”探測器。

　　智子是間諜，除傳話外，還負責擾亂高能加速器，鎖死人類的基礎科學研究?！八巍眲t充當殺手，它依靠簡單的撞擊，在30分鐘內(nèi)殲滅了人類的太空武裝力量——二千艘恒星級戰(zhàn)艦及百萬太空軍。　

　　“水滴不像眼淚那樣脆弱，相反，它的強度比太陽系中最堅固的物質(zhì)還要高百倍，這個世界中的所有物質(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地球，表面不受絲毫損傷”。在書中，它是用“強相互作用力材料”制造的。

　　自然界共有四種力：強力、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”，因此又稱為強相互作用、電磁相互作用等等。這個世界中的所有物質(zhì)，其實都是電磁力維系的，而強力的強度是電磁力的一百倍?？繌娏砭S系的材料，自然比現(xiàn)在最堅固的物質(zhì)還要堅固高百倍。

　　那么，這種“強相互作用力材料”真的存在嗎？

　　四種力的典型強度和作用距離

　　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“國際純粹與應用化學聯(lián)合會”將新合成的第113、115、117、118號化學元素分別以日本、莫斯科、田納西和俄羅斯物理學家歐甘尼辛命名。

　　原子其實是塊“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號元素的原子核就包含了118個質(zhì)子和176個中子。從強力的角度看，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觀音的凈瓶。

　　核子也不是最小的磚塊，它由更小的“夸克”組成。夸克共有6種，再加上電子、繆子、陶子，以及對應的三種中微子，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

　　只有夸克才參與強相互作用。強力的作用范圍很短，只發(fā)生在原子核內(nèi)部。把多個核子束縛成原子核的核力，也不是真正的強力，而是強力的剩余作用，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，而原子的尺度遠遠超過強力的作用范圍。原子核和核外電子通過電磁力維系，因此材料強度都由電磁力決定。

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

　　除了質(zhì)子和中子，強相互作用還能形成哪些東西？由強相互作用形成的粒子，稱為“強子”，包括兩類，一類由三個夸克（或者三個反夸克）組成，稱為“重子”，例如質(zhì)子和中子；另一類由一對正反夸克組成，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。

　　那么問題來了，為什么只有這兩類呢？為什么不能有兩個夸克組成的粒子，或者一百個、一萬個夸克組成材料呢？老實說，我們迄今也沒搞清楚。

　　我們有一個很好的描述強力的理論，稱為“量子色動力學”，它基于量子場論，是關(guān)于紅、綠、藍三種“色”量子數(shù)的“動力學”理論。原則上，它可以精確預言夸克能組成什么樣的粒子，精確預言“強相互作用力材料”是否存在，性質(zhì)如何。在能量很高的時候，它確實能夠做出準確預言，并得到了大量實驗證實。但不幸的是，將夸克束縛成粒子的過程相對而言能量較低，量子色動力學很難求解。同時，我們迄今也不理解為什么帶“色”的粒子不能單獨存在——組成一個粒子的夸克，其“色”必須中和，稱為“色禁閉”。正是因為存在這些不解之謎，我們現(xiàn)在還不能準確預言強力能形成哪些粒子和物質(zhì)，需要更多的實驗數(shù)據(jù)、發(fā)展新的計算方法。

　　盡管不能精確求解量子色動力學，人們還是可以通過一些近似來建立模型。有些模型就預言了重子和介子以外的粒子。幾十年來，對這樣的新粒子的尋找就在真真假假的實驗信號中磕磕絆絆地進行。2004年的國際高能物理大會上，據(jù)傳為“五夸克態(tài)”的Theta粒子被否定，總結(jié)發(fā)言的英國理論物理學家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年北京正負電子對撞機上發(fā)現(xiàn)了一個既不屬于重子，也不屬于介子的新粒子Zc(3900)，很可能是一個四夸克態(tài)，被美國物理學會雜志《物理》評為當年十一項重大成果之首。2015年，清華大學利用歐洲大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)了一個新粒子，被認為是五夸克態(tài)。還有一種可能存在的新粒子，由傳遞強力的膠子組成，稱為“膠子球”，仍然沒有找到。

　　這些新粒子告訴我們，強力也可以將超過三個的夸克束縛在一起。如果像大量原子排列形成晶體那樣，大量夸克由強力直接束縛成材料，那就是我們尋找的“強相互作用力材料”。正如前文所說的，量子色動力學很難求解，只能依靠模型來預言是否存在新粒子或者“強相互作用力材料”，而模型往往不那么可靠，又需要實驗來驗證或者調(diào)節(jié)參數(shù)。

　　傳統(tǒng)的強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，對膠子球和奇異夸克物質(zhì)的尋找仍在繼續(xù)。

　　上世紀70年代初，有科學家認為，當物質(zhì)密度足夠高時，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”；也可能由上千上萬個夸克排列組成，稱為“奇異核素”（nuclearite）；甚至可以比太陽還重，稱為“奇異夸克星”。

　　1984年，著名理論物理學家愛德·華威騰進一步證明，在很大的參數(shù)空間內(nèi)奇異夸克物質(zhì)絕對穩(wěn)定，也就是說，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)確實存在，也只有極其劇烈的過程才可能產(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。科學家還嘗試將重離子加速到極高能量，通過碰撞人工產(chǎn)生奇異子。

　　奇異夸克物質(zhì)遠遠重于普通原子核，因此有很多獨特的性質(zhì)，可以用來尋找它的蹤跡。國際空間站上的阿爾法磁譜儀利用磁場作用下的運動軌跡尋找過單個的奇異子。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相變產(chǎn)生。有研究認為，奇異子可以存在，中子星最終都會轉(zhuǎn)變?yōu)槠娈愋恰５悄壳暗难芯窟€不能證明奇異星的存在。

　　奇異核素擁有比奇異子更強的穿透能力，質(zhì)量重于0.1克的奇異核素能夠輕松地穿透地球。在穿過巖石等普通物質(zhì)時，奇異核素會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1萬度以上。這樣奇異核素就會在普通物質(zhì)中留下燒蝕徑跡并發(fā)出光。如果奇異核素穿過的物質(zhì)是地球大氣或是透明的水，這些光就會被我們的肉眼或是實驗儀器觀測到。奇異核素穿過地球大氣時會產(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20克的奇異核素在夜空中會產(chǎn)生超過最亮的天狼星的亮度。

　　位于地中海的ANTARES中微子實驗尋找奇異核素穿過深海時產(chǎn)生的光，不過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?；跓g徑跡這一特點，意大利格蘭薩索國家實驗室的MACRO實驗和玻利維亞5千米高原上的SLIM實驗也在尋找奇異核素。MACRO經(jīng)過10多年的尋找并沒有發(fā)現(xiàn)奇異核素。由于可觀測到的奇異核素數(shù)量與探測時間成正比，于是科學家們找來了5億年的云母礦石，仍然沒有發(fā)現(xiàn)燒蝕徑跡。當質(zhì)量為1噸的奇異核素（其半徑僅為0.01毫米）穿過地球時會誘發(fā)地震并釋放相當于5萬噸TNT當量的核武器爆炸時產(chǎn)生的能量。美國在實施阿波羅計劃時在月球上放置的5個地震觀測站也被用來尋找奇異核素。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致的。

　　不同實驗對奇異核素的搜尋上限，以及江門中微子實驗預期的靈敏度

　　正在建設中的江門中微子實驗將來也可以利用2萬噸液體閃爍體來尋找奇異核素。

　　也許奇異夸克物質(zhì)根本就不存在。不過從現(xiàn)有的理論模型看，它是可以有的。萬一真的存在呢？