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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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强子快速的旋转和振荡给弦增加了能量,拉长了它,也增加了质量[165]。
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还存在着另一种强子:一种“无夸克”粒子,它们是一些闭合成圈的弦。强子物理学称它们为胶子球,但是对于一个弦论学家而言,它们仅是闭弦。
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夸克似乎不是由更小的粒子构成的。它们像电子一样,因为太小所以无法检测到其尺寸。但是结合夸克的弦却是由其他物体组成的,而且这些物体不是夸克。这些结合成弦的黏性粒子被称为胶子。
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从某种角度来说,胶子是弦上非常小的部分。虽然它们极其微小,但是它们似乎有两个“端点”,一正一负,看起来就像是些小磁铁[166]。
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胶子
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关于夸克和胶子的数学理论被称为量子色动力学(QCD),一个听起来更像是与彩色摄影相关的东西,而与基本粒子没什么关系。大家马上就会对这个术语有清晰的认识。
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