原子內部到底發生了什麼？

沒人真正知道原子內部發生了什麼事，但兩組相互競爭的科學家認為他們已經弄清楚了。兩組科學家都在爭相證明他們的觀點是正確的。

我們可以確定的是：電子在原子外殼的 "軌道 "上旋轉，有一大堆空的空間。然後，就在這個空間的中心，有一個小小的原子核——一個由質子和中子組成的密集結點，給原子提供了大部分的質量。這些質子和中子聚集在一起，被所謂的強力所束縛。 而這些質子和中子的數量決定了原子是鐵、氧還是氙，以及它是放射性還是穩定性。

不過，沒有人知道這些質子和中子（合稱核子）在原子內部的行為。在原子外部，質子和中子有確定的大小和形狀。它們每一個都是由三個被稱為夸克的更小的粒子組成的，這些夸克之間的相互作用是如此強烈，以至於任何外力都不應該能夠使它們變形，即使是原子核中粒子之間的強大力量也不行。但幾十年來，研究人員都知道這個理論在某種程度上是錯誤的。實驗表明，在原子核內部，質子和中子看起來比它們應該大得多。物理學家已經發展出兩種相互競爭的理論，試圖解釋這種奇怪的不匹配，而每一種理論的支持者都非常肯定對方是不正確的。然而，兩個陣營都同意，無論正確的答案是什麼，都必須來自於他們自己以外的領域。

華盛頓大學的核物理學家傑拉爾德-米勒（Gerald Miller）告訴《現場科學》，至少從20世紀40年代開始，物理學家們就知道核子在核內緊密的小軌道上運動。核子在運動中被限制住了，它們的能量非常小。它們不會有太大的彈跳，受制於強大的力量。

1983年，歐洲核子研究組織（CERN）的物理學家注意到了一些奇怪的事情。米勒說，電子束從鐵上反彈的方式 與它們從自由質子上反彈的方式截然不同。這一點出乎意料；如果氫裡面的質子和鐵裡面的質子大小一樣，電子應該以同樣的方式反彈。

起初，研究人員不知道他們在觀察什麼。

但隨著時間的推移，科學家們開始相信這是一個大小問題。出於某種原因，重核內的質子和中子表現得好像比在核外時大得多。研究人員將這一現象稱為EMC效應，以歐洲穆子合作組織意外發現這一現象的小組的名字命名。 它違反了現有的核物理學理論。

麻省理工學院的核物理學家亨有一個理論，有可能解釋發生了什麼。

他認為，雖然構成核子的亞原子粒子夸克在特定的質子或中子內部強烈地相互作用，但不同質子和中子中的夸克彼此之間不能有太多的相互作用。核子內部的強力非常強大，它使核子與其他核子之間的強力黯然失色。

"想象一下，坐在你的房間裡和你的兩個朋友關著窗戶聊天，"亨說。

房間裡的三人是中子或質子裡面的三個夸克。

"外面吹來一陣輕風，"他說。

那股輕風就是將質子或中子與附近 "窗外 "的核子聯絡起來的力量。亨說，即使有一點從關著的窗戶裡偷偷溜走，也幾乎不會影響到你。

而只要核子呆在自己的軌道上，情況就是這樣。然而最近的實驗表明，在任何時候，核子中約有20%的核子其實是在其軌道之外。相反，它們與其他核子成對，在 "短程相關 "中相互作用。他說，在這種情況下，核子之間的相互作用比平時的能量高得多。這是因為夸克戳穿了單個核子的壁，開始直接相互作用，而這些夸克-夸克相互作用比核子-核子相互作用要強大得多。

亨說，這些相互作用打破了單個質子或中子內部分隔夸克的牆壁。構成一個質子的夸克和構成另一個質子的夸克開始佔據同一空間。亨說，這導致質子（或中子，視情況而定）拉伸和模糊。它們增長了很多，儘管時間很短。這歪曲了核內整個群落的平均大小，即產生.EMC效應。

亨說，現在大多數物理學家都接受EMC效應的這種解釋。而與亨合作進行一些關鍵研究的米勒也表示同意。

但並不是每個人都認為亨的小組把問題解決了。伊利諾伊州阿貢國家實驗室的核物理學家Ian Cloët認為亨的工作得出的結論，資料並不能完全支援。

"我認為EMC效應仍未解決，"Cloët告訴《現場科學》，這是因為核物理學的基本模型已經解釋了亨所描述的許多短程配對。然而，"如果你用這個模型來嘗試研究EMC效應，你將無法描述EMC效應。用那個框架是無法成功解釋EMC效應的。所以在我看來，還是一個謎。"

亨和他的合作者正在做的實驗工作是 "英勇的 "和 "非常好的科學"，他說。但它並沒有完全解決原子核的問題。

"很明顯的是，傳統的核物理模型無法解釋這種EMC效應，"他說。"我們現在認為，解釋一定來自於QCD本身。"

QCD是量子色動力學的縮寫——管理夸克行為的規則體系。從核物理轉向QCD，有點像同一張圖片看兩次：一次在第一代翻蓋手機上看——核物理，另一次在高解析度電視上看——量子色動力學。高解析度電視提供了更多的細節，但它的構建要複雜得多。

Cloët和Hen都認為，問題是描述一個原子核中所有夸克的完整QCD方程太難解決了。據Cloët估計，現代超級計算機距離足夠快的任務還有100年左右的時間。他說，即使今天超級計算機的速度足夠快，這些方程也沒有發展到可以將它們插入計算機的地步。

他說，還是可以用QCD來回答一些問題。而現在，他說，這些答案為EMC效應提供了不同的解釋。核平均場理論。

他不同意核子中20%的核子被束縛在短程相關中的說法。他說，實驗就是不能證明這一點。而且這個想法在理論上也有問題。

他說，這表明我們需要一個不同的模型。

"我所掌握的情況是，我們知道在一個原子核內部有這些非常強大的核力"，Cloët說。 "有點像電磁場，只不過它們是強力場"。

這些場在如此微小的距離上執行，以至於它們在核外的量級可以忽略不計，但它們在核內卻很強大。

在Cloët的模型中，這些力場，他稱之為 "平均場"（因為它們所攜帶的綜合強度），實際上會使質子、中子和離子（一種攜帶強力的粒子）的內部結構變形。

"就像如果你把一個原子放在一個強磁場裡面，你會改變這個原子的內部結構，"Cloët說。

換句話說，平均磁場理論家認為亨所描述的密封房間的牆壁上有洞，風吹過將夸克吹得四處亂竄，將它們拉伸。

Cloët承認，有可能短程相關性很可能解釋了EMC效應的一部分，而亨說，平均場很可能也起到了作用。

"問題是，哪個占主導地位，"Cloët說。

與Cloët合作也很廣泛的Miller說，平均場的優勢在於理論基礎更紮實。但他說，Cloët還沒有進行所有必要的計算。

而現在，實驗證據的重要性表明，亨有更好的論點。

亨和Cloët都表示，未來幾年的實驗結果可以解決這個問題。亨引用了弗吉尼亞州傑斐遜國家加速器設施正在進行的一項實驗，該實驗將把核子一點一點地靠近，並讓研究人員觀察它們的變化。Cloët說，他希望看到一個 "極化EMC實驗"，它將根據參與實驗的質子的自旋（一種量子特徵）來分解效應。他說，這可能會揭示出該效應中看不見的細節，從而有助於計算。

三位研究人員都強調，這場辯論是友好的。

"這很好，因為這意味著我們仍然在取得進展，"米勒說。"最終，有些東西會在教科書中，球賽結束了。... 事實上，有兩個競爭的想法意味著它是令人興奮和充滿活力的。而現在，我們終於有了解決這些問題的實驗工具。"

FY：Charon