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夸克真的存在吗?

(2017-09-21 15:46:35)

质子、中子、介子和超子等强子是由什么组成的?有一种观点认为,强子是由夸克组成的。尽管这种观点目前已经很流行,但实际上夸克很可能是子虚乌有。

1、夸克模型存在的问题

首先,如果夸克真的是强子的组分粒子,那么就应该存在自由夸克,就如同存在自由的分子、原子和核子等一样。但是,尽管人们用尽各种方法搜寻自由夸克,自由夸克却至今仍未找到。面对此困境,夸克模型的构造者只得用“夸克囚禁论”来辩解。然而,这不过是用一种虚构来解释另一种虚构。

其次,夸克模型用“拼积木”的方法来拼凑强子。一方面,大部分强子都由23个夸克拼成;另一方面,强子的各种性质也分别等于夸克的同名性质简单相加之和。这种结构方式在物质世界的其它层次中是不存在的。例如,原子由电子和核子组成,不同的原子中所含的组分粒子的个数不同。1个最轻的原子由1个电子和1个质子组成,而1个铀原子中则含有92个电子、92个质子和100多个中子。此外,各个物质层次的大部分性质都不是其组成部分的相应性质简单相加的结果。例如原子这一层次,100多种原素可以排列成一个周期表,元素的金属性、非金属性、化合价以及与酸、碱相关的性质等都呈周期性变化。但元素的这些性质并不是由其组分粒子的相应性质简单拼凑而成的。实际上,元素的组分粒子并不具有这些性质。元素的这些性质与核外电子的排布情况有关。

有人将夸克模型与元素周期律相比,说夸克模型展现了强子性质的周期律。但周期性只是现象,发现现象不等于揭示本质。如果为了解释元素周期律,也虚构几个“积木块”,比如根据元素周期表中有几族和几行,虚构几个“族子”和“行子”,再虚构几个代表元素性质的“金属数”、“非金属数”、“价数”、“酸数”和“碱数”等赋于“族子”或“行子”,然后用“族子”和“行子”的组合来拼凑元素,最后再虚构出某些理由来说明为什么找不到自由的“族子”和“行子”。这种模型也许会很“成功”,但没有几个人会相信它。

那么,为什么许多物理学家会认同夸克模型呢?其实,这是一种无奈之举。因为人们在研究强子的内部组分时,受到量子力学的某些限制,不能正确地理解观测和实验的结果,通向真理的路被封堵,只得选择夸克模型了。

2、强子的真实组分

粒子衰变是一种常见的现象,而衰变的最终产物往往是电子和中微子。例如1个中子可以衰变成1个质子、1个电子和1个中微子,而质子又可以与反质子湮灭为数个兀介子,兀介子又一步步衰变,直到变成电子和中微子。这种现象是否说明电子和中微子是包括强子在内的其它各种粒子的组分粒子呢?量子力学对此的回答是否定的。量子力学认为,微观粒子具有波粒二象性,如果电子是某个粒子的组分粒子,它的波长就必须很短,能量就必须很大,远远大于粒子衰变时放出的电子的实际能量。中微子的情况也与此相似。所以,量子力学不允许电子或中微子存在于其它粒子中。

但是,量子力学并不适用于粒子内部。狄拉克曾明确指出,量子理论是原子结构的理论。R.M.Santilli认为狭义相对论和量子力学对强子结构可能不成立,夸克模型仅是猜测。对于粒子的波动性,国内外不少物理学家都认为粒子是在某种随机作用下作布朗运动。而兰群、贺泽君等(参见《兰州大学学报》1976年第2期和《一九七八年上海市物理学会年会论文选编》)则明确指出是真空的随机作用导致粒子作布朗运动。

量子力学之所以适用于原子结构,是因为原子内部很“空旷”,绕原子核运动的电子在各个方向上都受到真空的随机作用,具有明显的波粒二象性。而强子内部的情况却大不相同。强子中的物质密度很大(例如,核子的密度比原子的密度大十几个量级),各组分粒子相互挤在一起作有序运动,这使得真空的随机作用不能渗入强子内部去对单个组分粒子起作用。所以,束缚于强子内部的组分粒子不具有自由粒子那样的波动性,也就不能用量子力学的公式来计算这些组分粒子的波长和能量。既然如此,把电子和中微子看作强子的组分粒子也就并无不妥。

至于电子和中微子组成强子的详细情况,那还有待于进一步研究。但有两点可以推测,一是强子内部的中微子不是少数几个,而是数量巨大,不同强子之间的质量差别主要在于所含中微子个数的差别;二是电子和中微子在强子内部作有序运动,强相互作用很可能来源于大量中微子的有序运动。

3、结语

夸克模型的产生和流行,在很大程度上缘于人们对量子力学的过分相信和依赖。然而,量子力学只是在一定的范围内适用。如果超范围使用量子力学,就会导致谬误,就会把物理学引入歧途。

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