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但是为什么这条曲线突然终止了呢?这个答案很容易理解。构成这个球的物质(皮或橡胶)只能经受得住这一点压力。从某种角度上来说,这球是被离心力撕裂了。
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现在想象一个比空间点还要小的粒子。你如何使一个数学上的点绕着一根轴旋转?那样做将意味着什么?或者说对于这样的物质,改变它的形状意味着什么?如果物体具有旋转的能力或者外形有振荡的能力,这就标志着它是由一些更小的成分组成的,而这些成分彼此可以相对移动。
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分子、原子以及原子核可以自己绕着自己旋转,但是对于这些微观的球,量子力学将起关键的作用。与所有其他振荡系统一样,能量和角动量只能以离散的方式增加。一个旋转的盒子其能量并不是逐渐增加的,它更像是突然上了一个台阶。这幅关于能量和角动量的图是一系列分立的点[163]。除了每一步都是离散的之外,这幅图看起来与篮球那幅图很相似,包括最后突然的终止。就像篮球一样,原子核只能承受住这么多的离心力,再大它就会飞散开去。
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旋转的原子核
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那么电子呢?我们能够使它们自己绕自己旋转吗?人们考虑了好多年,但是没有人成功地给一个电子外加上角动量。后面我们将回到电子,但是让我们先转到强子:质子、中子、介子和胶子球。
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质子和中子非常类似。它们的质量几乎相同,而且把它们结合成原子核的力也几乎是相同的。唯一重要的不同就是质子带有少量的正电荷,而中子如它的名字一样是电中性的。一个中子就好比是一个去除了电荷的质子。正是这种相似性使物理学家们把它们统称为一个客体:核子。质子是带正电的核子,而中子则是中性的核子。
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在核物理研究的早期,核子被认为是一种基本粒子,虽然它的质量约为电子的2000倍。但是核子并不像电子那么简单。随着核物理的发展,一个是原子的十万分之一的物体也不再显得非常小了。虽然电子还是占据了空间中的一个点,至少我们现在可以这么说,核子内部被证实有更加复杂的结构。核子更像原子核和分子而不是电子。质子和中子是许多更小的物体的聚合物。我们知道那是因为我们可以使它们旋转和振荡,然后我们可以改变它们的形状。
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就跟篮球或者原子核一样,我们可以画一幅图来表示出核子的自旋,横轴表示角动量,竖轴表示能量。40多年前当人们第一次画出这幅图时,发现其模式显得出人意料的简单:这一系列点几乎成一条直线。更令人吃惊的是,它似乎没有终点。
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这类关于核子内部结构的示意图给我们提供了很多线索。对那些知道如何读取隐藏信息的人来说,这两个值得注意的特征有重大的意义。核子可以绕着一根轴旋转,这意味着它不是一个点粒子;它是由一些相互移动的部分组成。而且这个序列似乎将一直延续下去,而不是突然中止。这意味着核子不会在旋转过快时飞散开去。把各个部分结合在一起的那种力,比原子核内的结合力要大得多。
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核子会在它旋转的时候延伸开,但是不像一块旋转的比萨面团变成一个二维的圆盘。这并不奇怪。
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旋转的核子
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核子延伸的样式是一条直线,这意味着这个核子延展成了一个长的、细的、具有弹性的、像弦一样的东西。
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半个世纪的实验已经确认了核子是一些受到能量激发后可以延展、旋转和振荡的有弹性的弦。事实上,所有的强子自旋后都可以变成长的像弦一样的东西。很显然,它们都是由同样的、有黏性的、纤细的、可以拉伸的东西组成,就像那些极为黏人的甩也甩不掉的泡泡糖。理查德·费曼用部分子来表示这种核子的成分,但是默里·盖尔曼另起的两个名字——夸克和胶子——沿用至今。胶子指的是一种组成长弦并阻止夸克分离的黏性很强的物质。
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介子是最简单的强子。人们已经发现了许多不同种类的介子,但是它们有着同样的结构:一个夸克和一个反夸克,中间由一根黏性很强的弦相连接。
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一个介子可以像弹簧一样振荡,像啦啦队队长的领操棍一样绕轴旋转,或者以各种方式弯曲折叠。介子是典型的开弦,即它们有终端。在这个方面,它们不像橡皮筋,我们称橡皮筋为闭弦。
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核子有三个夸克,每一个都连着一根弦,而这三根弦在中心结合,就像高卓人的波洛领带[164]。它们也可以旋转和振荡。
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