夸克如何存在?

1969年，瑞典国王古斯塔夫六世为默里·盖尔曼颁发诺贝尔物理学奖

“一切东西都是由原子构成的，原子是一些永远在运动的小粒子，当它们距离稍远时会相互吸引，被挤压时又会彼此排斥。”如果只能留给地球的下一个文明一句话，这就是物理学家理查德·费曼想要传递的信息。当然我们知道，在原子内部还有更基础的组成部分：电子，与组成原子核的质子和中子。

如果我们探究得更深，想要进入质子或中子的内部，情况就变得更加复杂。直到20世纪60年代，科学家在理论和实验两个层面进行研究，让基本粒子在对撞机内以极高的能量进行相互对撞，研究质子和中子的内部结构，才发现了一个前所未见、光怪陆离的神奇世界，其规则也与外部世界完全不同。

默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）和其他几位科学家在60年代提出了夸克（quark）理论。夸克在质子内部有不同种类，具有不同的“味道”（flavor）和“颜色”（color），它们在质子内部以接近光速的速度运动，但是又要受到胶子（gluon）的束缚。因为胶子所传递的强相互作用非常强，因此夸克无法摆脱彼此独自存在，总是结合在一起。

到了1973年，盖尔曼建立起完整的描述夸克和胶子之间相互作用的量子色动力学（Quantum Chromodynamics），用一种极其复杂的数学形式描述夸克是如何被强相互作用限制在原子核内部的，而在极高的温度和压力下，夸克和胶子又会形成夸克－胶子等离子态（Quark-Gluon Plasma）。

问题在于，量子色动力学是一种极其复杂，几乎不能进行精确计算的数学形式。人们虽然相信量子色动力学是描述夸克和胶子相互作用的正确的理论，这个理论与实验结果也相符，但却很难依靠它来进行精确的预测。物理学家们想要更加深入地理解原子核内部的状态，只能采取两种方式：一些人利用粒子对撞机进行对撞实验，观察其产物；另一些人则利用超级计算机运行量子色动力学，通过模拟计算进行研究——尽管通过这两种方法得出的结论往往并不吻合。

夸克－胶子等离子态究竟在什么情况下可能存在，这是一个问题。人类曾经在欧洲核子中心（CERN）通过对撞铅原子核观测这种奇异的物质状态。而在此之后，人类对于这种物质状态的理解一直无法加深。了解这种奇异的物质状态，对人们理解极早期的宇宙状态同样意义重大。因为无法形成稳定的原子核，在极热、极高压的状态下，整个宇宙中的物质都处于夸克－胶子等离子态，这个时期又被称为“夸克纪元”（Quark Epoch）。只有理解了夸克纪元的细节，人们才能回溯到宇宙大爆炸。

这又产生另一个问题，在现代可观测宇宙中，有没有稳定的夸克－胶子等离子态物质存在？理论物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）曾认为这可能是物质常见的一种状态，德国歌德大学理论物理研究所的天文学家卢西亚诺·雷佐拉（Luciano Rezzolla）曾认为可能存在整个星球都处于夸克－胶子等离子态，但是近年来的天文学观测却没有发现这类天体。

尽管没有直接观测到处于夸克－胶子等离子态的中子星，但是根据理论学家的预测，在一种极其罕见的情况下可能发现这种奇异的物质状态，这就是中子星的合并。中子星是一种仅次于黑洞的极其致密的天体。当两颗中子星发生合并，会释放出强烈的引力波信号，从而有可能被人类探测到。

2017年8月17日，美国的LIGO引力波天文台和欧洲的室女座干涉仪（Virgo Interferometer）第一次探测到了宇宙中两个中子星在合并过程中所产生的引力波，这个历史性的事件发生在距离地球1.3亿光年之外的“NGC 4993星系”，被标记为“GW170817事件”。中子星合并比黑洞的合并更为罕见，它不仅可以让人们了解宇宙深处的情形，还可能携带更多的信息。

雷佐拉的学生卢卡斯·威（Lukas Weih）认为，在中子星的合并过程中，有可能出现一种混合的天体。它的外层是标准的中子星，而在内部压力更大的区域，物质则处于夸克－胶子等离子态。如果这种猜想成立，那么物理学家们推测，这有可能从中子星合并的引力波信号中反映出来。2020年4月30日，雷佐拉、威与马蒂亚斯·哈瑙斯克（Matthias Hanauske）合作在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志发表论文《双中子星合并后引力波信号的相变特征》（Postmerger Gravitational-Wave Signatures of Phase Transitions in Binary Mergers），报告了他们通过电脑模拟两个质量相等的中子星合并过程中释放的引力波信号特征（模拟的中子星质量分别为太阳质量的2.64倍和2.68倍）。

通过电脑模拟发现，中子星合并可能产生出一个中子星，也可能产生出一个黑洞，或是一个在内部存在的夸克－胶子等离子态，外部是普通中子星的混合天体。这三种情况所释放出的引力波信号各有不同，人类完全有可能分辨出来。尽管只是理论模拟，但这篇论文吸引了很多人的注意。在遥远的宇宙中发生的剧烈的宇宙学现象，却可能为人类理解最为复杂精微的微观世界提供线索，这件事本身就给人以启迪。

人类探索微观世界的过程远未结束。虽然大多数人认为夸克已经是最基本的物质结构，但是人类对于夸克的运动规律还知之甚少，对于其可能形成的物质形态也了解得远远不够。人们期待着探测到更多中子星合并的引力波信号，并从中发现夸克－胶子等离子态存在的线索。人类探索微观世界的难度越来越大，珍贵的线索也许正是来自于此前被忽略之处。

（本文写作参考了《Wired》《Physics World》《Physical Review Letters》杂志的相关报道） 科学原子核物理天文引力波宇宙中子星夸克